Наноманипуляторы

Наноманипуляторами можно назвать устройства, предназначенные для манипуля-ций с нанообъектами - нано-частицами, молекулами и отдельными атомами. Примером могут служить сканирующие зондовые микроскопы, которые позволяют перемещать любые объекты вплоть до атомов.

В настоящее время созданы прототипы нескольких вариантов "нанопинцета". В одном случае использовались две углеродные нанотрубки диаметром 50 нм, расположенные параллельно на сторонах стеклянного волокна диаметром около 2 мкм. При подаче на них напряжения нанотрубки могли расходиться и сходиться наподобие половинок пинцета (Рис. 2).

Рис 2. Нанопинцет

В другом случае использовались молекулы ДНК, меняющие свою геометрию при конформационном переходе, или разрыве связей между нуклеотидными основаниями на параллельных ветвях молекулы

Однако манипулятор для нанообъектов может и отличаться своим устройством от макроинструментов. Так, была продемонстрирована возможность перемещать нанообъекты с помощью луча лазера. В недавней работе учёных Корнельского и Массачусетского университетов им удалось "размотать" молекулу ДНК с нуклеосомы. При этом они тянули её за конец с помощью такого "лазерного пинцета".

Микро- и наноустройства

В настоящее время всё большее распространение получают миниатюрные устройства, которые могут быть помещены внутрь организма для диагностических, а возможно, и лечебных целей.

Современное устройство, предназначенное для исследования желудочно-кишечного тракта имеет размер несколько миллиметров, несёт на борту миниатюрную видеокамеру и систему освещения. Полученные кадры передаются наружу.

Устройства такого рода было бы неправильно относить к области наномедицины. Однако, открываются широкие перспективы их дальнейшей миниатюризации и интеграции с

• наносенсорами описанных выше типов,
• бортовыми системами управления и связи на основе молекулярной электроники и других нанотехноло-гий,
• источниками энергии, утилизирующими вещества, содержащиеся во внутренних средах организма.

В дальнейшем такие устройства могут быть снабжены приспособлениями для автономной локомоции и даже манипуляторами того или иного рода. В этом случае они окажутся способны проникать в нужную точку ор-ганизма, собирать там локальную диагностическую информацию, доставлять лекарственные средства и, в ещё более отдалённой перспективе, осуществлять "нанохирургические операции" - разрушение атероскле-ротических бляшек, уничтожение клеток с признаками злокачественного перерождения, восстановление повреждённых нервных волокон и т. д. Подробнее такие устройства (нанороботы) будут рассмотрены ниже.

2. Будущее наномедицины

Конечно, сегодня мы можем лишь выдвигать предположения о том, какими путями будет развиваться наука будущего, и медицинская наука в частности. Некоторые из этих предположений будут более обоснова-ны, другие менее. Так, можно более или менее уверенно ожидать, что современные методы получат и даль-нейшее развитие. Например, микроустройства будут становиться всё более миниатюрными и совершенными, а их функции - всё более богатыми.

С другой стороны, можно ожидать, что на этом пути нас встретят неожиданные повороты. Некоторые из подходов, которые кажутся сейчас перспективными, окажутся бесплодными. Другие, которые кажутся сейчас фантастикой, могут оправдать себя; некоторые из таких "фантастических" подходов мы здесь рассмотрим. Скорее всего, возникнут и какие-то совершенно новые идеи.

Три подхода к наномедицине

Рассмотрим, какими способами в будущем могут быть осуществлены диагностика и лечение на клеточ-ном, субклеточном и молекулярном уровне.

Сегодня предполагаемые пути к этому могут быть разбиты на три группы (Рис. 3).

Рис. 3. Три подхода к наномедицине

Подход " Сверху вниз ". Так можно назвать подход, заключающийся в дальнейшем усовершенствовании существующих микроустройств, в первую очередь - в их дальнейшей миниатюризации. Идею подхода "свер-ху вниз" (как и идею нанотехнологии в целом) впервые последовательно изложил в 1959 г. Ричард Фейнман в упомянутой выше лекции "Там внизу - много места" [1].

Использование методов современной микроэлектронной технологии позволяет изготовлять элементы раз-мером менее микрона. Эти методы могут быть распространены за пределы чисто электронной техники. При-мерами являются микроэлектромеханические системы (micro electro-mechanical systems - MEMS) и микро-флюидика - управление потоками жидкости на микронных масштабах. Современная технология позволяет изготовлять множество устройств таких, как микромоторы, акселерометры, гироскопы, разнообразные мик-родатчики, микроклапаны, микронасосы и шестерёнчатые передачи.

В настоящее время целый ряд групп учёных во всём мире работает над созданием микроустройств, кото-рые могли бы работать внутри человеческого организма. Такие устройства могут быть стационарно закреп-лёнными в тканях, перемещаться пассивно - например, вдоль желудочно-кишечного тракта - или активно. В последнем случае они могут "ползти" по поверхностям внутренних полостей человеческого организма, пла-вать во внутренних жидкостях или, даже, "пробуравливать" себе ходы в тканях. На следующих рисунках представлены два примера такого рода устройств:

Рис. 4. Микросубмарина

На этом рисунке представлен проект, разрабатываемый в Университете штата Юта, США [7]. Устройство представляет собой микросубмарину с двигателем, использующим работу бактерий таких, как Salmonella typhimurium. Эти бактерии способны плавать в жидкости; будучи прикреплёнными к ротору двигателя так, как это показано на рисунке, они смогут приводить в движение вал с закреплённым на нём гребным винтом. Для изготовления ещё более миниатюрного устройства могут быть использованы не целые бактерии, а только их гребные жгутики - флагеллы. Источником энергии для такого двигателя могли бы служить кислород и глюкоза, свободно диффундирующие внутрь из окружающей среды.

Другой подобный проект разрабатывается фирмой MicroTEC из Дуйсбурга (Германия). В нём в качестве источника энергии рассматривается внешнее переменное электромагнитное поле.

Устройства такого рода, оснащённые бортовыми системами управления, связи и ориентации, основанны-ми на нанотехнологии, наносенсорами и наноманипуляторами могут стать реальностью уже в обозримом бу-дущем.

"Мокрая" нанотехнология. Этот подход основан на использовании готовых механизмов, существующих в живой природе. Пожалуй, впервые эта идея была сформулирована в 1967 г. американским биохимиком (и, по совместительству, писателем-фантастом) Айзеком Азимовым [8]. Он первым предложил использовать механизмы, состоящие из молекул нуклеиновых кислот и энзимов. Годом позже Вайт предложил использо-вать генетически модифицированные вирусы в качестве механизмов для ремонта клеток.

1964 г. физиком Робертом Эттинджером в его книге "Перспективы бессмертия" [9]. Он предложил ис-пользовать замораживание до сверхнизких температур (крионику) для сохранения человеческого организма до тех пор, пока развитие науки не позволит его разморозить, оживить и вылечить. Прекрасно понимая, какие повреждения повлечёт такое замораживание на клеточном уровне, Эттинджер предположил, что в будущем станут возможны механизмы, способные такие повреждения исправлять. В 1972 г. Эттинджер предположил, что для восстановления повреждённых клеток можно будет использовать биороботов на основе генетически изменённых существующих микроорганизмов. (Подробнее идеи крионики будут рассмотрены ниже)

Рассмотрим описанные здесь пути подробнее.

Биотехнология. Использование существующих организмов в качестве основы для создания биороботов обещает целый ряд преимуществ. Исходный организм обеспечивает готовые системы энергоснабжения, раз-множения, перемещения, саморемонта и т. д. Существуют отработанные методы получения генетических модификаций; опыт использования микроорганизмов с различными целями. Разумеется, пройдут годы или, даже, десятилетия прежде, чем станет возможно создать действительно эффективного биоробота.

Вирус как робот. В настоящее время вирусы уже активно используются для внесения в клетки нового ге-нетического материала. В перспективе можно представить себе использование разнообразных роботов-вирусов, способных распознавать клетку определённого типа, находящуюся в определённом состоянии. В зависимости от конкретной ситуации такой робот-вирус сможет убить эту клетку (например, возбудителя заболевания) или ввести в неё необходимые молекулы ДНК или РНК - вплоть до полной замены повреждён-ного генетического материала.

Клетка-робот. Клетки в организме человека способны целенаправленно перемещаться, иногда на боль-шие расстояния, уничтожать другие клетки или, наоборот, встраиваться в повреждённые ткани на место по-гибших. Не так уж трудно представить себе клетки, искусственно модифицированные так, чтобы они разру-шали атеросклеротические бляшки, регенерировали повреждённые органы, конечности и т. д. Клетки могут нести метки, позволяющие следить за их перемещением по организму, выделять в окружающую среду веще-ства, несущие диагностическую информацию.

Можно упомянуть несколько типов клеток, которые представляются перспективными в качестве основы для биоробота.

Во-первых, это различные бактериальные клетки. Они могут обладать готовыми механизмами переме-щения и, даже, внедрения в клетки организма-хозяина. Генетический аппарат бактерий довольно просто мо-дифицировать. Они способны к довольно сложному "поведению". Они могут вырабатывать самые разные белки и другие вещества в зависимости от ситуации. Бактерии способны даже к согласованию своих действий путём выделения в окружающую среду различных сигнальных веществ. Они могут передавать и значитель-ные объёмы информации, обмениваясь кольцевыми молекулами ДНК - плазмидами.

Разумеется, геномы бактерий должны быть модифицированы таким образом, чтобы они не представляли опасности для человека. Так, бактерии могут быть лишены возможности размножаться в самом организме; нужные количества будут получаться вне его в специальных условиях.

Во вторых, это человеческие клетки - такие, как фибробласты. Достоинство фибробластов в том, что они не несут на своей поверхности так называемых антигенов системы HLA, которые в основном и определяют отторжение иммунной системой организма чужеродных тканей.

Ещё один тип клеток, который кажется очень перспективным, это лимфоциты. В организме человека су-ществует несколько типов лимфоцитов, выполняющих различные задачи в рамках обеспечения иммунной защиты. Многие из них способны на весьма сложное "поведение". Не исключено, что окажется возможно генетически модифицировать собственные (и потому не отторгаемые) лимфоциты человека так, чтобы при-дать им те или иные дополнительные функции.

Методы молекулярной биологии. В организме человека существует огромное количество разнообраз-ных ферментов (другое их название - энзимы). Это белки или соединения белков, обладающие разнообраз-ной и высокоизбирательной активностью. Некоторые из них выполняют чрезвычайно сложные и ответствен-ные функции. В первую очередь это относится к тем ферментам, которые совместно с нуклеиновыми кисло-тами обеспечивают работу генетического механизма. Для примера рассмотрим фермент ДНК-репаразу. Мо-лекула его перемещается вдоль двойной спирали ДНК и исправляет ошибки в последовательности состав-ляющих эту спираль нуклеотидов. Такие ошибки неизбежно возникают под действием температуры, различ-ных химических веществ, радиации и т. д.

Молекула ДНК-репаразы находит молекулу ДНК, перемещается вдоль неё, распознаёт нарушения в по-следовательности нуклеотидов, принимает решение о том, какую из 2-х нитей ДНК считать правильной, "вы-лавливает" из окружающей среды нужный нуклеотид, удаляет неправильный и вставляет на его место пра-вильный. Практически, она ведёт себя как робот, решающий довольно сложную и многовариантную задачу ситуационного поведения.

То, каким образом белковые молекулы оказываются способными на столь сложное "поведение" далеко не ясно. Так, высказывалось предположение, что комплекс ДНК-фермент способен работать как квантовый ком-пьютер. Пока нет возможности подтвердить или опровергнуть эту гипотезу. Однако, сама способность белко-вых молекул к сложному "поведению", связанному с обработкой информации является несомненным фак-том.

Представляется очень соблазнительным попытаться модифицировать существующие белки или синтези-ровать новые, способные (возможно, в комплексе с несущей информацию и "программы" ДНК) к решению и других, в т. ч., ещё более сложных задач, таких, как лечение повреждённых или состарившихся клеток. Нуж-но признать, однако, что до необходимого уровня понимания работы ферментов нам ещё довольно далеко.

Более простым путём может быть использование способности молекул белков и более коротких полипеп-тидов избирательно связываться друг с другом и с молекулами других веществ. Это должно позволить осу-ществить самосборку таких молекул в наперёд заданную супермолекулярную конструкцию наподобие дета-лей детского конструктора.

Другой класс макромолекул, которые могут быть использованы для самосборки - нуклеиновые кислоты. Существует два основных типа нуклеиновых кислот.

Дезоксирибонуклеиновая кислота (ДНК) образует весьма устойчивую конфигурацию из двух нитей, сплетённых в двойную спираль. ДНК является основным носителем генетической информации в клетке. Уча-стки нити ДНК способны избирательно связываться с другими нитями, имеющими так называемую компле-ментарную последовательность нуклеотидов. Именно по этому принципу связываются две нити ДНК, ком-плементарные друг к другу.

Но связывание комплементарных участков позволяет предсказуемым образом соединять друг с другом и различные нити ДНК. При этом, меняя последовательность нуклеотидов в нитях, можно подобрать любую заранее заданную конфигурацию их сцепления. И здесь напрашивается аналогия с детским конструктором.

Большой успех на этом направлении был достигнут Надрианом Зиманом из Нью-Йоркского университета. Ему удалось сложить из молекул ДНК множество различных плоских и объёмных конструкций - тетраэдры, кубы, октаэдры, додекаэдры, икосаэдры, призмы и многие другие. Эти работы описаны в целом ряде публи-каций. На следующем рисунке приведена схема формирования куба из работы [10].

В 1999 г. Зиману удалось построить из ДНК даже возможный прототип наноразмерного манипулятора [11].

Другой тип нуклеиновых кислот - рибонуклеиновая кислота (РНК) - отличается от ДНК тем, что не об-разует двойной спирали. Из-за этого молекулы РНК менее устойчивы, но зато они способны образовывать самые разнообразные конфигурации. Некоторые из них обладают свойствами, напоминающими свойства ферментов. Как и от молекул белка от них можно ожидать способности к самосборке в заранее запрограмми-рованные структуры.

Кроме перечисленных, способностью к взаимному распознаванию и самосборке (а также и другими инте-ресными свойствами) обладают и многие другие супрамолекулярные соединения. Желающим более подробно ознакомиться с этой тематикой можно рекомендовать классическую книгу [12].

Молекулярная нанотехнология.Третий подход представляется наиболее фантастичным, но и наиболее перспективным. Он также восходит к лекции Фейнмана [1]. Но наиболее полное развитие он получил в рабо-тах Эрика Дрекслера в 1981 - 1992 гг. [13, 14, 15]. Применительно к медицине он получил наиболее полное освещение в фундаментальной книге Роберта Фрейтаса [16]. Далее мы будем следовать основным положени-ям именно этой книги.

Термин "Молекулярная нанотехнология" сейчас обычно используется для обозначения круга идей, свя-занных в основном с именем американского физика Эрика Дрекслера. Впервые эти идеи получили извест-ность в 1986 г. после выхода его знаменитой книги "Машины творения" [14] (до этого он опубликовал не-сколько статей [13 и др.], но они не привлекли такого внимания). В книге [14] Дрекслер ввёл термин нанотех-нология, и именно тогда он получил широкое распространение. Позже выяснилось, что ещё до Дрекслера этот термин использовал Норио Танигучи [17], понимая под ним любые субмикронные технологии (тогда - дело отдалённого будущего). В конечном счёте Дрекслер стал использовать термин молекулярные нанотех-нологии (МНТ) для различения предлагаемых им решений с нанотехнологиями в смысле Танигучи.

Книга [14] содержала, в основном, общее изложение идей Дрекслера, а также его рассуждения о возмож-ных применениях МНТ, социальных последствиях их развития и т. д. Это определило широко распростра-нившееся в академических кругах отношение к данной книге как к "популярной", сенсационной и не очень серьёзной, перенесённое и на весь круг идей Дрекслера. Это отношение сохранилось и после выхода в 1992 книги "Наносистемы" [15], в которой Дрекслер на хорошем научном уровне рассматривал вопросы реали-зуемости МНТ. И только в конце 90-х годов ХХ века, когда технология стала вплотную приближаться к уровню, необходимому для реализации МНТ, всё больше учёных стало относиться к предложениям Дрексле-ра всерьёз.

Хотя термин "Молекулярная нанотехнология" можно отнести к любой технологии, основанной на конст-руировании и изготовлении отдельных молекул, обладающих заданными наперёд свойствами, Дрекслер и его последователи основное внимание уделяют конструкциям из атомов углерода. Это обусловлено его способ-ностью образовывать огромное количество разнообразных соединений, а также рекордной прочностью связи между двумя атомами углерода. Судить о ней можно по выдающейся твёрдости кристаллов алмаза. Приме-рами углеродных молекул, которые могут послужить прототипом нанотехнологических компонентов могут послужить фуллерены - шары и нанотрубки из 5- и 6-угольных колец атомов углерода. Разумеется там, где необходимо, в конструкцию молекулы могут быть включены и атомы других элементов.

По идее Дрекслера, из алмазоподобного углерода могут быть изготовлены молекулы, имеющие форму са-мых разнообразных деталей - шестерёнок, штоков, компонентов подшипников, сочленений, роторов молеку-лярных турбин, подвижных узлы манипуляторов и т. д. Пример таких молекул-деталей, разработанных в цен-тре нанотехнологий НАСА приведен на рис. 5. Пока эти молекулы не синтезированы, но расчёты показыва-ют, что они могут существовать, быть устойчивыми, взаимодействовать друг с другом не "слипаясь".

Рис. 5. Зубчатая передача.

Предполагается, что подобного рода молекулярные конструкции могут быть постороены с использовани-ем механосинтеза - прямой сборки из малых молекул и, даже, отдельных атомов.

Рис. 6.Построение алмазоподобных структур из углерода

Сама по себе возможность такой сборки продемонстрирована с использованием сканирующих зондовых микроскопов. На рис. 6 приводится возможный способ построения алмазоподобных структур из углерода. На первом этапе с помощью СЗМ к создаваемой детали подносится молекула винилиденкарбена, имеющая в своём составе выступающий и относительно слабо связанный атом углерода. Между этим атомом и деталью возника-ет химическая связь. Затем острие СЗМ поворачивается на 90°, что приводит к разрыву p-связи и поднимается, разрывая оставшуюся s-связь. Атом углерода остаётся на заготовке детали.

Сборка готовых деталей в работоспособную конструкцию может осуществляться также с использованием СЗМ, либо путём самосборки с использованием прикреплённых к деталям биологических макромолекул, спо-собных избирательно соединяться друг с другом.

Устройство (пока гипотетическое) для такой сборки наномеханизмов Дрекслер назвал ассемблером. Теоре-тически, ассемблер может быть очень небольшим - микронных размеров. Поскольку из отдельных атомов мож-но собрать всё, что угодно, такой ассемблер может изготовить и собственную копию. С одной стороны, это от-крывает путь к изготовлению неограниченного количества ассемблеров и - с их помощью - любых других на-ноустройств. Такой подход может использоваться, например, для терраформирования планет - глобальной их перестройки с целью сделать пригодными для проживания человека.

С другой стороны, может возникнуть опасность выхода размножения ассемблеров из-под контроля в резуль-тате случайной или намеренной порчи их систем управления. Расчёт показывает, что теоретически такой ас-семблер со своим потомством окажется в состоянии переработать всю биомассу Земли за считанные часы (правда, без учёта времени на перемещение по поверхности планеты). Эта опасность получила название "про-блема серой слизи" (Grey goo problem). Предварительный анализ показывает, что ассемблер может быть сделан достаточно надёжным, чтобы вероятность появления самовоспроизводящейся ошибки оказалась пренебрежимо малым. Однако трудно исключить возможность преднамеренного программирования ассемблера маньяком или хулиганом, подобным современным создателям компьютерных вирусов.

Гипотетические пока наноустройства, способные к перемещению в окружающей среде и снабжённые борто-вой системой управления получили название нанороботов. Они смогут быть использованы для решения огром-ного количества задач - диагностики и лечения любых болезней, включая старение, перестройки организма человека "по заказу", изготовления сверхпрочных конструкций вплоть до лифтов "Земля - орбита" и, даже, "Земля - Луна", терраформирования других планет и т. д.

Идеи молекулярной нанотехнологии встречают и сильное противодействие. Наиболее известным критиком является лауреат Нобелевской премии 1996 г. по химии Ричард Смайли. В ходе ряда дискуссий в печати с Э. Дрекслером Смайли признал некоторые из ранее критиковавшихся им положений МНТ; некоторые другие рас-хождения можно будет, вероятно, разрешить только путём эксперимента.

Вообще, именно невозможность в настоящее время экспериментально изготовить хотя бы простейшие из теоретически рассчитанных деталей-молекул является наиболее слабым местом МНТ. Нужно сказать, что со-временные методы расчёта свойств крупных молекул далеки от совершенства, а точное решение соответствую-щей задачи квантовой механики на много порядков превосходит по своей сложности возможности сегодняшних компьютеров. Так что, окончательный ответ о возможности построения МНТ-устройств может дать только экс-перимент.

Кроме того, что окончательная конфигурация атомов в детали должна быть устойчива, устойчивыми должны быть и все промежуточные стадии её изготовления. Пока не ясно, приведёт ли это к серьёзным ограничениям.

Ещё один открытый вопрос - характер влияния на функционирование МНТ-устройств квантовомеханиче-ских эффектов. В современных моделях детали рассматриваются, в основном, как классические объекты. Фак-тически, однако, на молекулярном масштабе уже необходимо учитывать законы квантовой физики. Так, в статье [19] рассматривается влияние квантовых эффектов на вращение пары сцепленных шестерён наподобие тех, что изображены на рис. 5. Из квантовой механики известно, что полный момент количества вращения любой систе-мы должен быть кратен постоянной Планка h.

I1w1 = m1h (1.1)I1w1 = m1h (1.2)

где Ii - момент инерции а wi - угловая скорость i-й шестерни; mi - целые числа.

Однако, угловые скорости сцепленых шестерён связаны между собой:

n1w1 = n2w2 (2)

где ni - число зубцов i-й шестерни. Эти уравнения не имеют нетривиального решения для произвольных параметров Ii и ni. На первый взгляд, любая пара неодинаковых шестерён окажется "запертой". Более под-робное рассмотрение, учитывающее энергию Ван-дер-Ваальсова взаимодействия между шестернями, прове-дённое в [19] показывает, что отдельные шестерни нельзя рассматривать как изолированные системы, и усло-вие кратности момента количества вращения постоянной h истинно только для их суммарного момента.

Другим квантовомеханическим явлением может оказаться туннельный эффект, который может привести к "проскакиванию" зубцов шестерён и нарушению равенства (2).

Эти примеры показывает, что учёт квантовомеханических эффектов может существенно повлиять на ра-боту устройства с деталями молекулярных размеров, значительно усложняя задачу их конструирования. В то же время, образно говоря, мир квантовой механики значительно богаче, чем мир классической. Использова-ние квантовомеханических эффектов вместо борьбы с ними может обеспечить МНТ-устройства возможно-стями, нереализуемыми в классических механизмах. Примером такого рода возможностей является реализа-ция квантовых вычислений которая, если она будет достигнута, позволит решать задачи, не разрешимые за разумное время или, даже, в принципе неразрешимые на классических компьютерах (введение в квантовые вычисления можно найти в статьях сборника [20]).

Можно сказать, что молекулярная нанотехнология - одно из наиболее спорных, но и едва ли не наиболее многообещающее направление в современной науке. Вопрос о реализуемости её идей будет, вероятно, решён в течение ближайших десятилетий, а возможно, и раньше.

Ниже приводится сравнение основных параметров биологических систем и предполагаемых систем, осно-ванных на молекулярной нанотехнологии:

Таблица 1

Свойство Биологиче-ские систе-мы МНТ-системыСкорость 0.1-1 мк/сек 1-10 см/секЧастота коле-баний 30 Гц (рес-нички) 10 кГцПродолжи-тель-ность терапии, сек 105 102Прочность на разрыв, Н/кв. м 107-108 (бе-лок) 1011 (фулле-рен)

Рассмотрим некоторые наноустройства медицинского назначения, которые могут быть изготовлены с ис-пользованием МНТ.

Респироциты

Респироцит представляет полую сферу, внутри которой находится сжатый кислород. Расчёты показывают, что сфера диаметром около 1 мк. с запасом по прочности способна выдержать давление кислорода более 1000 атм. Для сравнения, равновесное давление кислорода в гемоглобине крови составляет всего 0.5 атм., из которых доступно для выделения в ткани лишь 0.13 атм.

В простейшем случае суспензия респироцитов может быть инъецирована в кровеносную систему организма при нарушении нормального снабжения тканей кислородом. Расчёты показывают, что полная потребность ор-ганизма в кислороде может быть обеспечена при вливании всего 0.5 мл взвеси респироцитов в минуту.

Более совершенный вариант респироцита может быть снабжён молекулярными насосами, способными запа-сать кислород в условиях его избытка и выделять его в условиях недостатка. Такие же респироциты могут пере-носить из тканей углекислый газ; либо один и тот же респироцит может попеременно заполняться то кислоро-дом, то углекислым газом.

Клоттоциты

Клоттоциты представляют собой искусственный аналог тромбоцитов. По конструкции он напоминает рес-пироцит, но внутри у него в свёрнутом состоянии находится волокнистая масса. При нарушении целостности тканей попавшие в зону ранения клоттоциты выбрасывают своё содержимое наружу. Волокна разворачиваются наподобие сети. Красные кровяные тельца попадают в эту сеть и кровотечение останавливается. Расчёты пока-зывают, что при ране длиной 1 см и глубиной 3 мм кровопотеря составит ~ 6 мм3, что составляет всего 1/10 од-ной кровяной капли.

Нанороботы

Более сложные устройства могут выполнять такие функции, как всеобъемлющая диагностика, "охота" за возбудителями инфекций и раковыми клетками, разрушение атеросклеротических отложений на стенках сосу-дов, восстановление повреждённых или постаревших тканей и отдельных клеток. Рассмотрим более подробно некоторые проблемы, которые могут встать при конструировании реальных нанороботов и наметим подходы к их решению.

Энергетика нанороботов. Наноустройства могут использовать для своей работы химическую энергию, за-пасённую в растворённых в крови глюкозе и кислороде. Также возможна передача энергии от внешнего источ-ника в виде электромагнитного или акустического излучения. Внутри устройства энергия может накапливаться в химической либо в механической форме.

Управление наноустройством. В качестве систем управления для нанороботов могут быть использованы устройства наноэлектроники такие, как транзисторы на основе отдельных молекул или нанотрубок, возмож-ность изготовления которых сейчас уже успешно продемонстрирована. Но ещё большей степени миниатюриза-ции можно достичь используя чисто механические компоненты. Возможные подходы к созданию логических компонент на наномеханической основе подробно рассмотрены в книге [15] (глава 12). По приводимым там расчётам наномеханический процессор с тактовой частотой ~1 Ггц, содержащий ~106 эквивалентных транзи-стору механических компонент может разместиться в кубе с ребром ~400 нм и потреблять ~60 нановатт мощно-сти (что составляет ~1016 операций в секунду на ватт).

Молекулярная нанотехнология может также позволить достичь огромной плотности записи информации. Дрекслер предлагает использовать в качестве её носителя линейные молекулы частично фторированного поли-этилена - цепочку атомов углерода, с которыми соединены два атома углерода, два атома водорода или по од-ному атому того и другого. Каждое звено такой цепочки несёт чуть больше полутора бит информации (в случае использования только двух типов звеньев - --CH2- и -СHF- - ровно один бит), а полная плотность записи достиг-нет фантастического значения в ~15 бит/нм3, т. е., ~15Ч1021 бит/см3.

Связь между нанороботами. В живой природе внутри организма используются в основном химические пе-реносчики информации - цитокины, гормоны, нейропептиды, феромоны. Наноустройства, однако, смогут ис-пользовать и более быстрые каналы передачи информации:

• Ультразвук; особенно хорошо он может распространяться по костной ткани.
• Электромагнитное излучение. Для большинства частот, которые реально могут использоваться наноустрой-ствами, глубина проникновения их в ткани составляет от миллиметров до сантиметров.

Для передачи на большее расстояние могут использоваться промежуточные подстанции в виде других нано-устройств, в том числе, специализированных ("коммуницитов").

Диагностика. Для диагностики наноустройства могут использовать довольно большое количество разнооб-разных методов:

• Измерение макроскопических параметров среды (температура, давление, вязкость)
• Измерение химических параметров (Ph, концентрации кислорода, углекислого газа, наличие антигенов, по-линуклеотидов, гормонов, нейротрансмиттеров)..
• Атомно-силовое сканирование поверхности клетки.
• Оптическая микроскопия ближнего поля
• Акустическая микроскопия (по принципу эхолокатора; акустического томографа); Сканирующий акустиче-ский микроскоп.
• Магнито-резонансная томография
• Электромониторинг активности нейронов, мышечных клеток и др.
• Химический мониторинг синапсов.

Можно предположить, что в будущем будут придуманы и другие, ещё более эффективные методы диагно-стики.

По прогнозам исследовательской корпорации Форрестер [21], в период с 2005 по 2010 г. основное развитие нанотехнологии будет определяться медицинскими предложениями. В этот период медицинские товары при-близят нанотехнологии к рядовому потребителю.

Потребители нуждаются в совершенствовании диагностики. Работодатели и страховые компании озабочены состоянием здоровья сотрудников, поэтому последние. в свою очередь, нуждаются в более совершенной диаг-ностике и терапии - не только тех болезней, которые у них уже есть, но и тех, к которым они предрасположены. Фармацевтические компании, такие как ГлаксоСмитКлайн и Эли Лили, ждут нанотехнологических диагности-ческих комплексов, чтобы пациенты получили доступ к анализу своих ДНК.

Наносенсоры станут звеном перехода к индивидуализированной медицине. Используя свои нанотехнологи-ческие средства - GeneEngine- компания Дженомикс из США уже обнаружила вариации генов на цепочках ДНК, это 200000 основных пар в длину. Компания прогнозирует возможность расшифровки всего генома чело-века, состоящего из 3 млн.пар, к 2006 году отчасти с помощью современных методов, при этом будут использо-ваться возможности индивидуализированной терапии с применением нанотехнологической доставки лекарств (компании БиоСанте Фармасьютиклз или С Сиксти).

Создание новых линий производства приведет к снижению цен. Сегодня такие компании как Роше Дайаг-ностикс используют технологию цепной реакции полимеразы для диагностики и выявления таких заболеваний как ВИЧ и гепатит. Система диагностики, созданная из нанокристаллов, подобных квантовым точкам, обещает большую точность и снижение стоимости путем использования методов производства, разработанных для по-лупроводниковой промышленности.

Отдельные аспекты настоящей работы рассмотрены в [22-24]

Литература:

1. R. P. Feynman, "There's Plenty of Room at the Bottom," Engineering and Science (California Institute of Tech-nology), February 1960, pp.22- 36. Текст лекции доступен в Интернет на странице http://nano.xerox.com/nanotech/feynman.html. Русский перевод опубликован в журнале "Химия и жизнь", № 12, 2002, стр. 21-26.

2. "Science", 23 ноября 2001 г.

3. Ю. Д. Семчиков. "Дендримеры - новый класс полимеров". Соросовский Образовательный Журнал. 1998. № 12, стр. 45-51.

4. Robert A. Freitas Jr., "Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell", Arti-ficial Cells, Blood Substitutes, and Immobil. Biotech. 26(1998):411-430.

5. "Магия микрочипов". "В мире науки", ноябрь, 2002, стр. 6-15.

6. Сканирующая зондовая микроскопия биополимеров. Под ред. И. В. Яминского. М., "Научный мир", 1997.

7. New Scientist, 25 ноября 2000 г.

8. Isaac Asimov, "Is Anyone There?" Ace Books, New York, 1967.

9. Robert C.W. Ettinger, The Prospect of Immortality, Doubleday, NY, 1964. Русский перевод: Роберт Эттингер. Перспективы бессмертия. М., "Научный мир", 2003

10. J. Chen, N. C. Seeman. "Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube". Nature, 350 (1991): 631-633.

11. Ch. Mao et al. "A Nanomechanical Device Based on the B-Z Transition of DNA". Nature, 397 (14 January 1999):1680-1685.

12. Жан-Мари Лен. "Супрамолекулярная химия: концепции и перспективы". Новосибирск, "Наука", 1998 г.

13. K. Eric Drexler, "Molecular Engineering: An Approach to the Development of General Capabilities for Molecu-lar Manipulation". Proc. Natl. Acad. Soc. USA, 1981, #78 pp. 5275-5278

14. K. Eric Drexler, "Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology". NY, 1986, Ancor Press/Doubleday

15. K. Eric Drexler. "Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation". John Wiley and Sons, NY, 1992.

16. Robert A. Freitas Jr., ''Nanomedicine. Vol. 1: Basic Capabilities'. Landes Bioscience, Austin, Tx, 1999. Готовит-ся к изданию русский перевод.

17. N. Taniguchi, "On the Basic Concept of 'Nano-Technology', Proc. Intl. Conf. Prod. Eng. Tokyo, Part II, 1974, Ja-pan Society of Precision Engineering

18. Р. Ф. Фейнман, "Вы, конечно, шутите, мистер Фейнман?", изд. "Регулярная и хаотическая динамика", 2001 г.

19. A. MacKinnon, "Quantum gears: a simple mechanical system in the quantum regime", Nanotechnology 13 (Oc-tober, 2002) 678-681. Текст доступен в Интернете на странице http://arxiv.org/abs/cond-mat/0205647.

20. "Квантовые вычисления: за и против" (сборник). Ижевск, 1999.

21. С.D Howe. Nanotechnology: Slow Revolution. Forrester Research Corporation, August 2002, Cambridge, Maryland, USA, 21 p.

22. C.Б. Нестеров. Нанотехнология. Современное состояние и перспективы. "Новые информационные техноло-гии". Тезисы докладов XII Международной студенческой школы-семинара-М.: МГИЭМ, 2004, 421 с., с.21-22.

23. И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направле-ния работы. Материалы 9-й научно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ, 2002, с. 244-247

24. И.В. Артюхов, В.Н. Кеменов, С.Б. Нестеров. Нанотехнологии, биология и медицина. Материалы 9-й на-учно-технической конференции "Вакуумная наука и техника"-М.: МИЭМ, 2002, с. 248-253

Дата добавления: 2014-01-11