Forskere har laget og testet forskjellige nanomachiner i laboratorier i lang tid. Faktisk er dette molekylkonstruksjoner som har til oppgave å utføre en nyttig funksjon: for eksempel levere medisiner til et syke organ, identifisere et patogen eller reparere noe. Når de første "nyttige" nanorobotene dukker opp, vil de hjelpe med å kolonisere Mars og andre planeter?
Disse spørsmålene blir besvart av Ben Feringa, professor ved University of Groningen i Nederland. I 2016 vant han sammen med franskmannen Jean-Pierre Sauvage og Scotsman Fraser Nobelprisen for design og opprettelse av molekylære maskiner. Nanomachines er laget av veldig vanlige elementer som karbon, nitrogen eller svovel. Kan vi forvente mer eksotiske komponenter i dem - for eksempel sjeldne jordartsmetaller eller radioaktive stoffer?- Dette spørsmålet er veldig vanskelig å svare på av en enkel grunn: vi vet fremdeles ikke hva slike molekylære konstruksjoner kan og ikke kan gjøre. Til tross for de store forskjellene i strukturen til nanomotorene, rotorene og andre elementene, jobber vi alle sammen - min gruppe, Stoddart, Sauvage og mange andre kolleger - utelukkende med organiske molekyler. Ingenting hindrer selvfølgelig oss i å forestille oss at noe slikt kan skapes ved bruk av uorganiske forbindelser. For å konstruere en kompleks forbindelse og få den til å rotere rundt sin egen akse, som våre molekylmotorer. Ingen har imidlertid ennå montert slike nanomotorer.
Årsaken er enkel. Takket være utviklingen av legemidler og polymerkjemi, har vi lært å syntetisere komplekse forbindelser bestående av hydrokarbonkjeder veldig raskt og godt. Jeg er sikker på at det samme kan gjøres med uorganiske forbindelser, men for å gjøre dette, må vi først forstå hvordan vi skal sette sammen slike molekyler.
Når det gjelder radioaktive isotoper, tror jeg ikke de noen gang vil bli en del av nanomachiner. Deres uvanlige egenskaper og ustabilitet vil sannsynligvis gjøre dem uegnet til å fungere som en del av stabile molekylære systemer som bruker lys eller elektrisitet som energikilde.
I denne forbindelse er vi mer interessert i biologiske molekylære motorer, hvor hundrevis av varianter er til stede i menneskekroppen. De er alle proteinmaskiner, hvorav mange inneholder metallatomer.
Oftest spiller de en nøkkelrolle i reaksjonene som får disse biomaskinene til å bevege seg. Derfor ser det ut til at en kombinasjon av metallkomplekser og organiske forbindelser som omgir dem ser mest lovende ut.
I år feirer vi 150-årsjubileet for det periodiske systemet. Kan du forklare hvordan denne bragden på et og et halvt århundre hjelper deg å oppdage i dag?
- Den periodiske tabellen og lovene som ligger i den hjelper oss alltid med å vurdere hvordan forskjellige typer atomer som ligger i den oppfører seg, og å forutsi egenskapene til noen forbindelser.
Noen typer motorer har for eksempel innebygde oksygenatomer. Takket være tabellen forstår vi at svovel vil være lik den i dens egenskaper, men samtidig er den litt større i størrelse. Dette gjør at vi fleksibelt kan kontrollere oppførselen til slike molekylære maskiner, utveksle oksygen mot svovel og omvendt.
Salgsfremmende video:
Dette ender selvfølgelig ikke med prediksjonskapasitetene våre. Det er mange andre lover som nylig er oppdaget som gjør det mulig å forutsi noen av egenskapene til nanomachines.
På den annen side tviler jeg på at vi kan lage noe som en periodisk tabell for slike nanostrukturer. Her har vi, hvis det er prinsipielt mulig, ikke nok kunnskap.
Så vi kan grovt forutsi hvordan molekylmotorer i forskjellige størrelser, lignende i struktur, vil oppføre seg, men vi kan ikke gjøre dette for radikalt forskjellige systemer eller designe noe fra bunnen av uten å gjennomføre eksperimenter.
Du sa nylig at de første fullverdige nanorobotene vil dukke opp om rundt femti år. På den annen side, bare for halvannet år siden, fant det første "løpet" av slike nanomachines sted i Frankrike. Hvor langt er vi fra fremveksten av autonome nanodeler?
- Det bør forstås at alle molekylære maskiner som eksisterer i dag er veldig primitive både i struktur og formål. Faktisk var både bilen vår, som vi satt sammen i 2011, og disse "racerbilene" opprettet for ikke å løse noen praktiske problemer, men for å tilfredsstille nysgjerrigheten.
Både vi og våre kolleger utvikler slike enheter for å løse veldig enkle problemer - vi prøver å finne ut hvordan vi får molekyler til å bevege seg i en eller annen retning, stoppe og utføre andre enkle kommandoer. Dette er et interessant, men fortsatt rent akademisk problem.
Neste trinn er mye vanskeligere og seriøst. Det er viktig å forstå om det er mulig å engasjere dem i virkelig praktiske oppgaver: transport av varer, montering i mer komplekse strukturer og respons på ytre stimuli.
For eksempel kan nanomaskiner brukes til å lage smarte vinduer som reagerer på gatebelysningsnivåer og kan reparere seg selv; antibiotika som bare fungerer når et bestemt kjemisk signal eller lys signal vises. Slike ting, ser det ut for meg, vil dukke opp mye tidligere enn du tror - i løpet av de neste ti årene.
* Nanobolid * på racerbanen fra et kobberunderlag.
Opprettelsen av fullverdige nanoroboter som er i stand til å utføre operasjoner inne i kroppen eller løse komplekse problemer, vil selvfølgelig ta mer tid. Men jeg er igjen sikker på at vi kan gjøre det også. Det er utallige slike roboter i menneskekroppen, og ingenting hindrer oss i å konstruere deres kunstige kopier.
På den annen side er vi, som jeg har sagt mer enn en gang, nå på omtrent samme utviklingsnivå som menneskeheten i Wright-brødrenes dager. Først må vi bestemme hva og hvorfor vi skal lage, og så tenke på hvordan vi skal gjøre det.
Det virker som om du ikke skal tankeløst kopiere det naturen har funnet opp. Noen ganger er helt kunstige systemer, som fly eller datamaskinbrikker, mye lettere å lage enn analoger til en vinge eller en menneskelig hjerne.
I andre tilfeller er det lettere å ta det som levende organismer allerede har skapt, for eksempel noen antistoffer, og feste en medisin eller en del av en nanomachine til dem. Lignende tilnærminger brukes allerede innen medisin. Derfor kan det ikke sies entydig at noen av dem vil være mer lovende og riktig for alle mulige anvendelser av nanorobots.
De siste årene har det dukket opp to "klasser" av nanomachiner - relativt enkle strukturer som mottar energi utenfra, og mer komplekse strukturer, fullverdige analoger av motorer, som er i stand til å produsere den uavhengig. Hvilke er nærmere virkeligheten?
- Kjemiske motorer, noe som ligner analoger i levende celler, begynte virkelig å dukke opp. Vi har nylig laget flere lignende enheter på vårt laboratorium.
For eksempel klarte vi å sette sammen en nanomachine som var i stand til å bruke glukose og hydrogenperoksyd som drivstoff og transportere nanorør, nanopartikler og andre tunge strukturer i alle retninger.
Det er vanskelig å si hvor lovende de er - det kommer an på oppgavene som skal løses. Hvis vi trenger å organisere "transport" av noen molekyler, er de ideelle for dette. For å lage smarte vinduer eller andre dingser, på sin side, trenger du allerede å lete etter annet materiale.
I tillegg forstår vi fortsatt ikke nøyaktig hva vi mangler, hvilke analoger av klassiske maskiner som kan lages ved hjelp av molekyler, og hvor hele vår sfære vil bevege seg generelt. Vi har faktisk akkurat begynt å utvikle det. Så langt er det bare en ting som er tydelig - nanomachiner skiller seg fra biomaskiner i cellene våre, og fra deres”storesøstre” i makrokosmos.
Hvis vi snakker om den fjerne fremtiden, er det mulig å bruke molekylære maskiner som er i stand til å kopiere seg selv for å løse globale problemer, for eksempel for å erobre Mars eller andre planeter?
- Det er vanskelig for meg å snakke om andre verdener, siden denne saken går langt utenfor min kompetanse. Likevel tror jeg at det i utgangspunktet neppe blir brukt nanomachiner til slike formål. Når vi prøver å mestre noen nye og veldig tøffe omgivelser, trenger vi veldig pålitelig teknologi, ikke noe eksperimentelt.
Derfor ser det ut til at slike maskiner først vil finne anvendelse på jorden. Vi kan si at dette allerede skjer: de siste årene har kjemikere laget hundrevis av veldig komplekse strukturer av mange molekyler, de såkalte supramolekylære strukturer, som selektivt kan binde seg til visse ioner og ignorere alt annet.
For eksempel grunnla min kollega Francis Stoddart nylig en oppstart der han utvikler komplekser som kan hente ut gull fra gruvedrift og avfallsdumper. I det siste ville opprettelsen av slike forbindelser ha blitt ansett som alkymers fantasi.
Snakk om nanomaskiner forårsaker ofte ekte frykt blant publikum, i frykt for at fremtidige mikroskopiske roboter vil ødelegge sivilisasjonen og alt liv på jorden. Er det mulig på en eller annen måte å bekjempe dette?
“Disse problemene har mye å gjøre med Creation Machines: The Coming Era of Nanotechnology, skrevet av Eric Drexler i 1986. Scenariet om menneskehetens død som et resultat av selvutbredelsen av "grått slim" presentert i det, er i dag kjent for nesten alle.
Det er faktisk ikke noe uvanlig her - når vi lager nye nanomachiner, tar vi de samme forholdsreglene som når vi jobber med nye og potensielt giftige kjemikalier.
I denne forbindelse er ikke komponentene i nanorobots forskjellig i sitt destruktive potensial fra "byggesteinene" som molekylene fra nye medikamenter, polymerer, katalysatorer og andre "vanlige" kjemiske produkter er satt sammen fra.
Som et hvilket som helst annet medikament- eller matprodukt, vil disse molekylstrukturene måtte gå gjennom et enormt antall sikkerhetstester som vil vise om de kan "gjøre opprør" og ødelegge menneskeheten.
Faktisk er det ikke noe overraskende i slike frykt - folk er vant til å være redd for noe nytt og uvanlig. Hvert tiår kommer det en ny "skrekkhistorie" fra fysikkens, kjemiens eller biologiens verden, som erstatter de tingene vi allerede er vant til. Nå er det for eksempel blitt moteriktig å frykte og kritisere CRISPR / Cas9 genomisk redaktør og kunstig intelligens.
Hva skal forskere gjøre? Det virker som om oppgaven vår er enkel: vi må hjelpe publikum til å finne ut hva som er sant og hva som er fiksjon. Det er viktig å forstå de praktiske fordelene med disse nye funnene og hvor deres virkelige fare ligger.
Hvis folk for eksempel forstår at CRISPR / Cas9 kan helbrede dem av sykdommer assosiert med genetiske defekter, eller øke planteproduktiviteten, vil de ha mindre grunn til å frykte denne teknologien. Det samme gjelder fremtidens nanomachines.
