Нанороботы и нанодинамические системы

Позже благодаря публикациям Эрика Дрекслера и его «машинам создания» [1] мир познакомился со святым Граалем нанотехнологий — понятиями механосинтеза и саморепликации. Действительно, если мы можем создавать машины, способные собирать какие-либо устройства, почему бы не создать машину, которая может собрать саму себя или самореплицироваться. А если мы сможем собрать такую машину, почему бы не сделать ее настолько маленькой, что ее манипуляторы будут способны оперировать отдельными атомами. В этом случае эффект появления химических связей, которого мы добиваемся с помощью тепловых столкновений молекул, смешивая реагенты химических реакций, станет доступен нашему управлению непосредственно, путем механического приближения атомов друг к другу до тех пор, пока не вступят в действие силы межмолекулярного или межатомного притяжения. То есть будет происходить процесс механосинтеза. Эрик Дрекслер предполагал, что этот процесс будет происходить в жидкой среде, в огромных производственных емкостях, где постепенно, атом за атомом будет выращиваться та или иная деталь будущего сложного механизма. Никаких поточных линий, никаких отходов механообработки и брака. Только раствор нанороботов и активирующий источник энергии. Экологически чистое и дешевое производство. Вечная мечта человечества.

Однако вообразить сие оказалось гораздо проще, чем осуществить эту идею на практике. Даже макроскопические реализации самореплицирующихся прототипов сталкиваются со значительными трудностями. На сайте http://reprap.org приводится описание одной из первых конструкций самореплицирующихся роботов, являющихся по сути 3D-принтерами, печатающими набор собственных деталей из быстро застывающего полимера. Однако в настоящее время этот робот не может воспроизводить металлические детали своей конструкции, а также электронную начинку. Да и сборку механического потомка человеку приходится выполнять собственноручно. При попытке перенести эти технологии на наноуровень сложности практической реализации возрастают многократно.

В этой связи прежде всего стоит отметить проблему «толстых пальцев». Если бы удалось собрать хотя бы одного функционально законченного наноробота, способного к саморепликации, то этот робот в ту же секунду смог бы собрать экземпляр себе подобного, и уже спустя несколько часов человечество располагало бы огромным количеством наномашин, пригодных для выполнения поставленных задач. Но проблема в том, что для сборки наноробота нужен другой наноробот или набор инструментов гораздо более тонких, чем мы имеем сейчас.

В настоящее время благодаря усилиям ученых данная проблема постепенно решается путем разработки инструментария, способного манипулировать отдельными атомами и молекулами. С одной стороны, продолжают совершенствоваться атомно-силовые микроскопы (АСМ), позволяющие использовать зонды не только для определения рельефа поверхности, но также для отрыва отдельных атомов от поверхности и транспортировки их в нужное место. С другой стороны, полным ходом идет разработка разнообразных полуавтоматических и полностью автономных систем и инструментов манипулирования веществом на наноуровне. В настоящее время разработки нанотехники идут в нескольких параллельных друг другу направлениях.

Разработка наноманипуляторов с прямым управлением на макроскопическом уровне

Сюда можно отнести проекты наноманипуляторов на основе оптических ловушек (нанопинцет), нанодозаторов различных конструкций [2] и прочую подобную технику. Принцип действия оптической ловушки основан на способности светового конуса удерживать наночастицу с силой, достаточной для физического манипулирования с ней (рис. 1).

Наноманипуляторы данного типа пригодны для различных весьма тонких операций. Как с помощью данного инструмента впервые удалось распутать нить ДНК и намотать ее на бобину наподобие того, как промышленные станки наматывают на катушки швейные нити, рассказано в [3]. Несмотря на все технологическое совершенство данного инструмента, этот наноманипулятор по своим функциональным особенностям ближе к широко известным атомно-силовым микроскопам, чем к настоящим манипуляторам нанороботов. Возможно, с помощью подобных тонких инструментов и будет собран первый автономный наноробот, однако напрямую перенести принципы работы таких устройств на наноуровень вряд ли удастся.

Разработка полуавтоматических наноманипуляторов с подводом энергии и опосредованным управлением на макроуровне

Сюда можно отнести, например, разработку наноманипуляторов на основе кусочков металла с памятью формы [4].

Лазерный луч фокусируется на участке наноманипулятора (рис. 2), слой металла в месте падения луча нагревается и приходит в движение, изменяя геометрическое расположение частей друг относительно друга. Прообраз полуавтоматического наноманипулятора в действии! Если обработать кусочек металла таким образом, что восстанавливаемая форма будет соответствовать осуществлению манипуляции с заданной траекторией, то мы получим работающую наномашину. Воздействуя на разные участки наноманипулятора, мы получим необходимый набор траекторий перемещения и выполнение заданных функций. Подобный принцип наверняка может быть применен в будущих разработках, однако сразу бросается в глаза очевидный недостаток подобной схемы — необходимость постоянного подвода внешнего потока энергии в виде лазерного луча как условие функционирования данной наномашины.

Разработка полностью автономных нанороботов в духе классических представлений Эрика Дрекслера

На этом пути приходится решать сразу две практически равные по сложности задачи. Во-первых, необходимо разработать ряд стандартных функциональных блоков наномашин, которые позволили бы собирать действующий механизм наподобие того, как из подшипников, шестеренок и прочих деталей мы собираем машины на макроуровне. Во-вторых, необходимо решить проблему автономного программного управления механизмом на наноуровне.

В качестве элементной базы для решения первой задачи вполне могут подойти, например, такие широко известные нанообъекты, как нанотрубки, поскольку они обладают набором уникальных свойств, среди которых следует отметить высокую механическую прочность и уникальные электрические характеристики. Вот лишь некоторые из них:

• отношение длины к поперечнику трубки: от 10 до 100 единиц;
• прочность на разрыв: 45 ГПа (для сравнения: сталь— 2 ГПа);
• проводимость: может быть металлического или полупроводникового типа;
• теплопроводность: более 3 кВт/м·К (для сравнения: алмаз— 2 кВт/м·К).

Нанотрубки могут быть однослойными или многослойными (вложенными друг в друга), закрытыми с обоих концов, открытыми с одного конца или с обоих концов. Наконец, в предельном случае коротких нанотрубок они могут быть наносферами или фуллеренами. В случае многослойных нанотрубок отдельные слои могут скользить друг относительно друга практически без трения. Благодаря таким уникальным свойствам нанотрубки могут служить основой для построения множества разновидностей функциональных блоков наномеханических систем.

Нанотрубки и наносферы могут служить резервуарами для хранения и транспортировки различных веществ. Кроме того, на основе нанотрубок можно создавать такие устройства, как осцилляторы гигагерцевого диапазона, электронные переключатели, элементы памяти, наноманипуляторы, зажимы, наносерводвигатели со встроенными датчиками положения, телескопические наноконструкции, наноподшипники, нанодиоды, нанотранзисторы и другие подобные конструкции (рис. 3). При этом схемы включения нанотрубок могут быть самыми разнообразными [5].

В настоящее время существует ряд удачных конструкций нанодвигателей на основе аналогов бактериальных жгутиковых наномоторов, использующих АТФ (или каких-либо каталитических реакций) в качестве источника энергии. Модель работы такого нанодвигателя описана в [6]. За основу взят способ передвижения мелких внутриклеточных паразитов риккетсий (rickettsia). Для передвижения риккетсия использует реакцию полимеризации белка актина клетки-хозяина. Бактерия запускает процесс полимеризации актина на одном из своих концов, что приводит к образованию у нее полимерного хвоста, за счет которого и производится перемещение паразита. Сконструированный нанодвижитель использует реакцию непрерывной полимеризации ДНК с целью создания движущей силы, способной перемещать небольшие молекулы или наночастицы.

Пример конструкции простого наномотора, использующего для вращения наностержней силу, создаваемую каталитическим разложением перекиси водорода на асимметричном слое катализатора, приведен в [7]. Авторами разработана достаточно простая технология создания таких наномоторов, пригодная для массового производства. На первом этапе процесса производства мотора осуществляется процесс напыления на подложку наностержней под большим углом падения. Это приводит к закреплению наностержней на подложке преимущественно одним из концов. На втором этапе производства под малым углом падения наносится слой катализатора (платина или серебро). Нанесение катализатора повторяют после поворота подложки на 90° или 180°. В результате наностержни оказываются покрыты катализатором асимметрично, преимущественно с одного из концов, как показано на рис. 4.

На заключительном этапе наностержни отделялись от подложки с помощью ультразвуковой обработки и помещались для испытаний в раствор перекиси водорода. Наблюдение под оптическим микроскопом показывает, что в среде, содержащей перекись водорода, наностержни начинают вращаться.

Направление вращения и скорость зависят от геометрического расположения катализатора на поверхности нанотрубки и его количества. Эти параметры можно подобрать экспериментально, изменяя условия техпроцесса напыления катализатора, и таким образом получать наномоторы с заданными характеристиками. Если заменить катализатор для разложения перекиси водорода на ферментный катализатор разложения, скажем, глюкозы, то можно получить нанодвигатель для функционирования в среде человеческого организма. Принцип построения двигателя остается таким же.

Что касается проблемы управления нанороботом, то здесь следует отметить, что врядли когда-либо появится возможность помещать внутрь наноробота компьютер в нашем классическом понимании этого слова, как некий электронный узел управления, связанный с остальной частью машины набором проводников. Прежде всего это является следствием того, что нанороботы по своей сути и по определению являются достаточно простыми и малогабаритными устройствами, состоящими из ограниченного числа атомов.

Однако не следует думать, что наноробот останется совершенно неуправляемой машиной, в лучшем случае направляемой извне с помощью макроскопического компьютера и набора каких-либо электромагнитных полей.

В данном случае представляется весьма оправданным использование в конструкциях нанороботов различных механических вычислительных систем, наподобие того, как на заре компьютерной эры для вычислений использовались арифмометры, а для проигрывания музыки и приведения в движение механических кукол использовались зубчатые колесики и барабаны со штырьками. Те громоздкие механические устройства, которые оказались неэффективными на макроуровне, оказываются весьма быстродействующими и удобными в реализации на наноуровне. Так, в статье [8] описывается прообраз механической вычислительной системы, собранной из 17 молекул дуроквинона C₁₀H₁₂O₂ (DRQ — 2, 3, 5, 6-tetramethyl — 1–4-benzo-quinone). 16 молекул дуроквинона, связанных между собой водородными связями, собираются в большое кольцо с еще одной, 17-й молекулой посередине. В зависимости от поворота этой центральной молекулы вокруг своей оси изменяется конформация и геометрическое расположение всех остальных 16 молекул и любых связанных с ними внешних молекулярных конструкций.

Таким образом, данное устройство по своей сути представляет собой быстродействующий молекулярный процессор, выполняющий параллельно за один такт 16 различных операций. Вид конкретной вычислительной операции определяется видом наноманипулятора, прикрепленного к конкретной молекуле дуроквинона с внешней стороны большого кольца. На рис. 5 эти дополнительные элементы условно обозначены прямоугольниками. Авторы разработки отмечают, что в случае сборки объемной шарообразной структуры из молекул дуроквинона общее суммарное число состояний такой системы может превысить миллиард различных комбинаций. В настоящее время у данной схемы построения молекулярного процессора есть существенный недостаток, не позволяющий построить действующий автономный молекулярный компьютер. Дело в том, что положением центральной молекулы авторы эксперимента управляют с помощью лазерного луча, и система, таким образом, все еще не обладает необходимой степенью автономности, чтобы на ее основе можно было собрать действующий наноробот. Однако авторы разработки верят, что это временные и вполне преодолимые трудности.

Стоит отметить, что уже существует класс наносистем, вполне пригодных к практическому применению и каким-либо целенаправленным действиям, хотя данные системы, по сути, нанороботами не являются. Это нанодинамические системы, интенсивно разрабатываемые сейчас во многих лабораториях мира. Основное применение нанодинамических систем — биология и медицина. Нанодвигатели таким системам не слишком нужны, поскольку в большинстве случаев они перемещаются во внутренней среде организма пассивно, вместе с током крови, а наноманипуляторы имеют ограниченное значение, поскольку для проникновения внутрь клеток в большинстве случаев используется рецептор — опосредованный механизм, широко распространенный в биологическом мире.

Существует как минимум два способа получения таких нанокомплексов. Во-первых, это образование наномицелл в растворах, вовторых — разнообразные методы молекулярной биологии и химии, позволяющие собрать наночастицу из отдельных субъединиц. Принцип получения наномицелл в растворе заключается в том, что нерастворимые полимерные частицы или жировые капли в растворах склонны окружать себя оболочкой из более мелких поляризованных молекул и переходить в коллоидное состояние. В качестве примера на рис. 6 показан процесс образования белково-полимерных мицелл.

Таким образом можно получать разнообразные комплексы белок-лекарство-полимер, лекарство-антитело-полимер и тому подобные конструкции.

По-видимому, более популярным способом получения нанодинамических систем является специализированная сборка методами биоинженерной химии и молекулярной биологии. За основу в большинстве случаев берутся распространенные наночастицы, например нанотрубки, и к ним с помощью подходящих линкеров присоединяются нужные молекулы. Готовая нанодинамическая система выглядит, как показано на рис. 7.

Нанокомплексы подобных конструкций очень удобны для адресной транспортировки различных лекарств, даже нерастворимых в обычном состоянии. При этом оказывается возможным наряду с лечебным воздействием одновременно осуществлять диагностику, если, например, к наночастице или внутрь ее, помимо полезной нагрузки и связующей молекулы, прикрепить контрастную молекулу. Например, ферромагнитную частицу, которая будет контрастировать во время проведения компьютерной томографии. В этом случае с помощью компьютерного томографа можно отслеживать распределение нанокомплексов по различным тканям организма, выявлять участки с патологически измененными тканями и т. д. Кроме того, при включении в состав нанокомплекса магнитных частиц можно легко удалять из кровотока отработанные нанокомплексы, используя аппарат гемодиализа и простой магнит.

Потенциальные возможности нанодинамических систем в плане лечения различных заболеваний просто огромны. С помощью нанодинамических систем можно доставлять к клеткам опухолей противоопухолевые антибиотики, даже те из них, которые обладают сильной токсичностью для нормальных клеток организма. Нанодинамические комплексы циркулируют вместе с кровотоком по всему организму и присоединяются только к тем клеткам, на поверхности которых есть соответствующие рецепторные молекулы. В конструкции нанодинамической системы за это отвечают выбранные антитела. Таким образом, можно нацелить нанокомплекс на любой тип клеток организма, на любые вирусные или бактериальные частицы и доставить любую полезную нагрузку или лекарство к любому выбранному типу здоровых или патологически измененных клеток.

Преимущество адресной доставки проявляется в том, что дозировка лекарства в этом случае может быть снижена в десятки и даже тысячи раз, исключая тем самым нанесение вреда здоровым клеткам организма. В прессе уже появляются многочисленные сообщения об успешном уничтожении раковых клеток в культуре и в организме лабораторных животных [9].

Велик потенциал нанодинамических систем и в лечении врожденных генетических заболеваний. В настоящее время доставку здоровых генов в ткани организма практикуют с помощью вирусных частиц, у которых генно-инженерными методами удалены участки генома, отвечающие за саморепликацию. Чаще всего для этих целей используют аденовирусы. Однако сложность технологии подготовки таких генно-инженерных систем доставки генов приводит к тому, что возникает риск заражения организма исходным «диким» вариантом вирусного генома или существует риск активизации дремавшего внутри клетки собственного вирусного генома, в который окажутся привнесены недостающие для активизации участки.

Нанодинамические системы лишены этих недостатков, поскольку имеют искусственное небиологическое происхождение, а осуществлять адресную доставку генов они могут ничуть не хуже природных вирусных аналогов.

В качестве примера использования нанодинамических систем в области генной терапии можно привести информационное сообщение о разработке и успешном применении нанокомплекса для лечения СПИДа [10].

Не стоит, однако, полагать, что применение нанодинамических систем ограничивается только областью медицины. Пример молекулярной реализации так называемого демона Максвелла приведен в [11]. Когда-то выдающийся английский физик Джеймс Клерк Максвелл придумал мысленный эксперимент, основанный на том, что в любом объеме газа статистически присутствуют молекулы со всеми кинетическими скоростями. Таким образом, если установить два сосуда с газом, сообщающихся быстродействующей заслонкой, и открывать эту заслонку только в тот момент, когда к ней приближается молекула газа с высокой скоростью, то можно чисто механическим способом, путем сортировки молекул по скоростям, собрать в одном сосуде только быстрые молекулы, а в другом — только медленные. На макроскопическом уровне это будет проявляться видимым нарушением принципов термодинамики. Изначально более холодный сосуд будет становиться все холоднее, а более горячий — нагреваться.

Система управления заслонкой должна быть очень быстродействующей и чувствительной. Максвелл условно назвал ее «демоном». Химики из университета Эдинбурга разработали модель демона Максвелла на основе молекулярной структуры ротоксан, представляющей собой систему из кольцевой молекулы, надетой на длинную линейную молекулу. В стабильном состоянии все ротоксаны держат свои кольца у одного определенного «липкого» конца линейной молекулы. При поглощении квантов света ротоксан переходит в возбужденное состояние, и кольцевая молекула, вращаясь, на короткий промежуток времени перемещается к противоположному концу линейной молекулы. Если осветить достаточно большое число ротоксановых систем, то все они одновременно переместят свои кольца в противоположное положение, а это по факту приведет к локальному смещению теплового равновесия. Разумеется, это смещение небольшое, лишь в пределах длины ротоксановой системы, однако легко представить, что в случае дальнейшего развития данной технологии можно получить материалы и устройства с необычными свойствами.

Представьте себе брусок материала, разные половинки которого имеют разную температуру с четкой границей тепла. Или холодильник, в котором можно одновременно разогревать одно блюдо и охлаждать другое. Судя по всему, нанотехнологии несут с собой промышленную революцию невиданных масштабов, и нам всем придется в скором времени привыкать к окружению из множества странных и необычных устройств.

Литература

1. http://www.e-drexler.com/d/06/00/EOC/EOC_Cover.html
2. http://www.nanometer.ru/2007/08/22/nanotubes_3939.html#
3. http://www.membrana.ru/articles/inventions/2008/07/18/143700.html
4. http://www.membrana.ru/articles/technic/2003/07/21/194100.html
5. Donga L., Subramaniana A., Nelson B. J. Carbon nanotubes for nanorobotics // Nanotoday, Vol. 2, Issue 6, December 2007.
6. Venkataraman S., Dirks R. M., Rothemund P.W. K., Winfree E., Pierce N. A. An autonomous polymerization motor powered by DNA hybridization // Nature Nanotechnology, Vol. 2, August 2007.
7. http://nanotechweb.org/cws/article/tech/27605
8. http://nextbigfuture.com/2008/03/promising-new-approach-to-molecular.html
9. http://www.utsouthwestern.edu/utsw/cda/dept37389/files/468194.html
10. http://www.cell.com/content/article/fulltext?uid=PIIS0092867408008210
11. http://www.membrana.ru/articles/global/2007/02/02/194200.html