Amerikansk kjemiker Chad Mirkin, som mottok RUSNANOPRIZE-prisen i år, fortalte RIA Novosti om hvordan hans nanopartikler vil åpne genetisk medisinsk tid, glatte ut rynker på kvinners ansikter og kurere oss mot kreft, og delte også tankene sine om hvordan når nanomaskiner kan ødelegge verden.
Chad Mirkin er en av de ledende amerikanske kjemikerne som er involvert i utviklingen av nanopartikler samlet fra sfæriske DNA-molekyler og kombinasjoner av DNA eller RNA med metaller og annet uorganisk materiale. I tillegg til "organisk" nanoteknologi jobber Mirkin aktivt med utvikling av teknologier for "utskrift" av nanostrukturer, som kan brukes til å produsere elektronikk og optiske enheter.
Mirkin ble ansett som en av de viktigste kandidatene for 2013-Nobelprisen i kjemi, og har også tidligere blitt nominert til RUSNANOPRIZE-prisen, som har blitt tildelt av Rusnano siden 2009 for vitenskapelig og teknologisk utvikling eller oppfinnelser innen nanoteknologi som allerede har blitt introdusert i masseproduksjon.
Tsjad, genetikere står ofte overfor akutt sosial avvisning når de utvikler GMOer eller genterapi, men nanoteknologi generelt og nanopartiklene basert på sfæriske DNA-molekyler som du har utviklet, har ikke dette problemet. Hvorfor skjer det?
- I dette tilfellet er det etter min mening en grunnleggende forskjell mellom dannelsen av nanopartikler og utviklingen av genetisk modifiserte produkter. Studien av egenskapene og dannelsen av nanopartikler tilhører først og fremst antallet kjemiske studier, de kan kalles resultatene av søket etter nye og nyttige egenskaper i noen strukturer som ikke eksisterer i naturen eller er resultatet av miniatyrisering, ved hjelp av en rekke metoder for å lage dem.
For eksempel endrer alle materialer egenskapene når de er miniatyriserte. Spesielt gull mister sin gyldne farge og blir rød i nanoskalaen. Dette er nøyaktig hvorfor nanoteknologi er så interessant for oss. Alle disse forskjellene som oppstår under overgangen til nanoskala kan brukes til å utvikle nye, tidligere usett teknologier.
På den annen side har DNA-redigering blitt implementert globalt gjennom spesifikke biokjemiske prosesser, hvis konsekvenser er veldig klart definert og som for alltid endrer måten levende organismer fungerer på. Dette skaper etiske dilemmaer og tiltrekker seg oppmerksomhet fra regulatorer og mennesker som er bekymret for de langsiktige konsekvensene av slike opplevelser.
Selvfølgelig er det mennesker som er redde for videre utvikling av nanoteknologi, men av de ovennevnte årsakene er det ekstremt vanskelig for dem (og uærlige for oss) å bringe alle nanopartikler til samme størrelse og gjøre entydige "konklusjoner" om at absolutt alle nanoteknologier per definisjon er dårlige. Hvis du tenker på det, kan selve begrepet "nanoteknologi" omfatte nesten alt som vitenskapen har skapt de siste årene. Dessuten, hvis du bare ser på "vanlig" kjemi, fungerer den med molekyler hvis dimensjoner er mindre enn de strukturene vi kaller nanomaterialer.
Kampanjevideo:
Det vi for eksempel strengt tatt har skapt, er ikke nanopartikler, men, som jeg liker å kalle dem, "sfæriske nukleinsyrer", en ny type nanostrukturer som vi lager ved å sette korte DNA- og RNA-molekyler på maler med en bestemt form og design … De har ingen naturlige ekvivalenter, men samtidig samhandler de med levende materie og celler på en ekstremt uvanlig, og viktigere, nyttig måte. De kan sies å være en triumferende sammensmelting av kjemi, biologi og nanoteknologi.
Slike nanopartikler kan brukes til å løse en rekke problemer - de kan brukes til å levere medisiner til celler, kurere kreft og reparere cellene, diagnostisere sykdommer og andre ting. Selvfølgelig kan du tilpasse dem for skade, men det er ikke det vi gjør ved Northwestern University.
Du har allerede blitt kåret til en av kandidatene til Nobelprisen tidligere, og i år ble den tildelt for en av de viktigste oppdagelsene innen nanoteknologi. Tror du ikke at du har blitt ufortjent glemt?
- Faktisk ble prisen i år delt ut for et funn som ikke har noe med vår forskning å gjøre - den ble mottatt blant annet av en av universitetskollegene mine, Fraser Stoddart. Feringa, Savage og Stoddart jobbet for å lage molekylære maskiner - ekstremt grove miniatyranaloger av mekaniske rotorer og brytere, i stand til å utføre de samme oppgavene som vanlige maskiner, men på nanoskala.
Vi kan si at "Nobelprisen" gikk til nanoteknologi, men du må forstå at dette vitenskapsområdet er veldig bredt og inkluderer et veldig bredt spekter av problemer, fra miljøvern, medisin og slutter med energi og elektronikk. I dette tilfellet er disse nanoteknologiene veldig langt fra det vi gjør.
Hvis vi snakker om Nobelprisen, kan jeg ikke si noe - det er ikke mitt privilegium å bestemme hvem som skal motta den, la ekspertene fra Nobelkomiteen gjøre det.
En av årets prisvinnere, Ben Feringa, mener det er lite sannsynlig at nanomaskiner noen gang vil true menneskeheten. Hva er din mening om dette problemet som folk tenker på først når de tenker på farene ved nanoteknologi?
- Igjen, hvis du tar hensyn til hva de ga Nobelprisen i år, kan du se at den ble tildelt for en veldig grunnleggende oppdagelse. Jeg tror at vi nå er på et veldig tidlig stadium av den kjemiske utviklingen av nanoteknologi, som er veldig langt fra maskinene som er beskrevet i det berømte scenariet "grå goo".
Faktisk er selve ideen om at maskiner kan gå ut av kontroll og opprør ren science fiction som ikke har noe med vitenskap å gjøre. Jeg tror at det vil forbli innenfor fiksjonens rammer i lang tid fremover. Det vi jobber med og i dag, ligner slett ikke det som er nødvendig for et slikt scenario av "verdens ende".
Maskinene som Feringa og kollegaer har laget er veldig skjematisk og slett ikke som "nano-terminators" som science fiction-forfattere bruker for å skremme oss. Vi har fortsatt minst tiår, om ikke århundrer, før et slikt scenario blir gjenstand for seriøs diskusjon.
På hvilke områder av nanoteknologi forventer du de viktigste gjennombruddene i nær fremtid?
- Våre nanosfæriske nukleinsyrer vil bli og blir allerede brukt til en rekke formål og i et bredt spekter av grener av vitenskap, medisin og industri. De brukes allerede til diagnostikk i medisin - for eksempel har vi laget nanopartikler med gullkjerner dekket med et DNA “pels”, som brukes som koder for et ekstremt presist søk etter spesifikke segmenter av DNA, proteiner og andre biomolekyler assosiert med sykdommer og ulike bio - "mål".
Slike partikler kan brukes til rask analyse av spytt, blod eller urinprøver og søke etter forskjellige virus, bakterier eller til og med genetisk bestemte sykdommer i dem. Alt dette, understreker jeg, brukes allerede i praksis.
I fremtiden venter mer på oss - vi lager hule DNA-nanopartikler fylt med medisiner eller noe annet stoff som kan trenge gjennom celler, som vanlige DNA- og RNA-molekyler ikke kan. Slike nanopartikler kan for eksempel tilsettes hudkrem og brukes til å behandle over 200 hudsykdommer assosiert med DNA-sammenbrudd. På samme måte kan vi bekjempe kolitt, sykdommer i øynene, blæren eller lungene. Tiden med genetisk medisin kommer.
Det er verdt å forstå her at det trengs tre ting for å lykkes på dette området. Først må du være i stand til å lage RNA- og DNA-molekyler, og vi har gjort denne oppgaven godt i 30 år. For det andre må du forstå hvorfor mutasjoner i visse gener forårsaker sykdom. Dette problemet ble løst tidlig på 2000-tallet, da dekodingen av det menneskelige genomet ble fullført.
Imidlertid manglet den tredje tingen helt til nylig - evnen til å introdusere DNA og RNA i de vevene og organene der de skulle gå. Og det viste seg at nanopartikler er den mest praktiske og pålitelige måten å løse dette problemet på. Våre sfæriske nukleinsyrer var i stand til å trenge gjennom celler så lett som ingen andre retrovirus kunne.
Nå har vi muligheten til å peke DNA i organene som interesserer oss, og ikke bare i leveren, som før, og dette åpnet for oss tidligere utenkelige muligheter for genterapi. Vi trenger ikke engang selektiviteten til stoffets handling, siden vi direkte kan injisere DNA der vi trenger det, i stedet for å gå gjennom hele kroppen.
En av de mest kjente oppdagelsene dine er dannelsen av krystaller fra DNA. Har du funnet noen industriell anvendelse for slike strukturer, eller er dette en grunnleggende oppdagelse?
- Krystaller fra DNA er noe av det mest interessante vi har klart å lage. Hvis "Nobelprisen" for nanoteknologi eksisterte, ville metodikken for deres produksjon, etter min mening, være mest verdig det.
Vi ble interessert i disse krystallene i 1996 av grunner langt fra medisin og biologi. Vi testet et konsept som var nytt på den tiden, og sa at nanopartikler kan betraktes som en slags kunstige atomer, og DNA fungerte i dette tilfellet som en slags programmerbare "subatomære" partikler, på grunnlag av hvilke nanopartikler, "atomer", hvis kjemiske egenskaper ble bestemt ville være DNA-molekyler på overflaten.
Fleksibiliteten til egenskapene til slike nanopartikler gjorde det mulig for oss å bokstavelig talt designe krystaller med en gitt struktur, samle dem atomatomene med subnanometer-nøyaktighet, inkludert å lage slike krystallgitter, hvis analoger ikke eksisterer i naturen. Gjennom årene har vi laget 500 forskjellige versjoner av disse gitterene, hvorav seks er helt kunstige. Dette baner vei for total kontroll over materialegenskaper og et uendelig utvalg av kunstige krystallinske materialer.
Fra synspunktet til deres praktiske anvendelse, beveger vi oss fortsatt bare i denne retningen. De første katalysatorene og de optiske innretningene som er basert på disse krystallene, vil etter min mening vises om ti år. Det er viktig at og som i tilfelle moderne elektronikk, hvis opprettelse var umulig uten muligheten til å produsere silisiummonokrystaller, åpner dannelsen av DNA-krystaller veien for en ny klasse teknologier.
Når du snakket om å lage nanosfærer fra DNA-molekyler, uttalte du at de kan brukes til en rekke formål, blant annet for å glatte ut rynker. Var kosmetiske selskaper interessert i denne utviklingen?
- Ja, mange selskaper har allerede vist interesse for denne anvendelsen av sfæriske DNA-molekyler. Fra kosmetologiens synspunkt er potensialet til nanopartikler nesten ubegrenset - med deres hjelp kan vi gjøre huden mer elastisk, fjerne mørke flekker, rense celler av pigmentmolekyler og få huden til å slutte å produsere dem, og også løse mange andre problemer.
Men det er et stort problem her - det er ikke klart hvordan sikkerheten til slike produkter vil bli vurdert og regulert av kompetente myndigheter, siden de samtidig kan løse både farmasøytiske og kosmetiske problemer. Hvem som vil være ansvarlig for bekreftelsen, og hvordan det vil bli gjort - er foreløpig ikke klart.
I tillegg, fra synspunkt av forretningsutvikling og rett og slett fra et felles menneskelig synspunkt, er utvikling av kosmetikk basert på nanopartikler fra DNA en sekundær oppgave sammenlignet med opprettelsen av vaksiner mot kreft og genetiske sykdommer, som hundretusener og millioner av mennesker forventer å bli kvitt.
De siste årene har forskere skrevet hundrevis, kanskje tusenvis av artikler viet til neste "fremtidens materialer" - for eksempel plasmoner eller DNA-origami. Over tid avtok spenningen, men vi har ikke sett noen synlige resultater ennå. Hvorfor skjer det?
- Faktisk vil jeg ikke si at alle disse teknologiene har fordampet eller forsvunnet. Forskning fortsetter, i hvert fall innen plasmonics, vises publikasjoner fra tid til annen om origami, selv om det ikke ser ut til å være noen teknologiske utsikter her. På kort sikt ser det ut til at begge disse materialene bare er gjenstand for grunnleggende forskning.
Her er det verdt å huske historien om oppfinnelsen av laseren. Da fysikere skapte de første laserne, sa noen at "dette er en interessant oppdagelse som fremdeles venter på den praktiske anvendelsen." I dag finnes lasere overalt - lasere er i hvert supermarked, de brukes til å sy og kutte vev under operasjoner, og de er i alle datamaskiner og kommunikasjonssystemer.
Med andre ord, ofte etter en grunnleggende oppdagelse, ikke en gang uker eller måneder, men flere tiår går før den finner sin praktiske og kommersielle anvendelse.
