Vědci dlouhodobě vytvářejí a testují různé nanomachiny v laboratořích. Ve skutečnosti jde o molekulární konstrukty, jejichž úkolem je vykonávat nějakou užitečnou funkci: například dodávat léky nemocnému orgánu, identifikovat patogen nebo něco opravit. Když se objeví první „užitečné“nanoroboty, pomohou kolonizovat Mars a další planety?
Na tyto otázky odpovídá Ben Feringa, profesor na univerzitě v Groningenu v Nizozemsku. V roce 2016 získal společně s Francouzem Jean-Pierre Sauvageem a Scotsmanem Fraserem Nobelovu cenu za design a výrobu molekulárních strojů. „Vaše nanomachiny jsou vyrobeny z velmi běžných prvků, jako je uhlík, dusík nebo síra. Můžeme v nich očekávat více exotických složek - například kovy vzácných zemin nebo radioaktivní látky?- Na tuto otázku je velmi obtížné odpovědět z jednoho jednoduchého důvodu: stále nevíme, co takové molekulární konstrukty mohou a nemohou udělat. Zároveň, i přes velké rozdíly ve struktuře našich nanomotorů, rotorů a dalších prvků, my všichni - moje skupina, Stoddart, Sauvage a mnoho dalších kolegů - pracujeme výhradně s organickými molekulami. Samozřejmě nám nic nebrání představit si, že něco takového lze vytvořit pomocí výhradně anorganických sloučenin. Například pro konstrukci komplexního spojení a jeho točení, stejně jako u našich molekulárních motorů, se točí kolem své vlastní osy. Zatím však nikdo takové nanomotory nesestavil.
Důvod je jednoduchý. Díky vývoji léčiv a chemie polymerů jsme se naučili velmi rychle a dobře syntetizovat komplexní sloučeniny sestávající z uhlovodíkových řetězců. Jsem si jistý, že totéž lze udělat s anorganickými sloučeninami, ale k tomu musíme nejprve pochopit, jak takové molekuly sestavit.
Pokud jde o radioaktivní izotopy, nemyslím si, že se někdy stanou součástí nanomachinů. Jejich neobvyklé vlastnosti a nestabilita je pravděpodobně učiní nevhodnými pro práci jako součást stabilních molekulárních systémů, které jako zdroj energie používají světlo nebo elektřinu.
V tomto ohledu se více zajímáme o biologické molekulární motory, jejichž stovky různých druhů jsou přítomny v lidském těle. Jsou to všechny proteinové stroje, z nichž mnohé obsahují atomy kovů.
Nejčastěji hrají klíčovou roli v reakcích, které způsobují pohyb těchto biomachinů. Proto se mi zdá, že kombinace kovových komplexů a organických sloučenin, které je obklopují, vypadá nejslibněji.
Letos slavíme 150. výročí periodické tabulky. Mohl byste vysvětlit, jak vám tento úspěch století a půl pomůže objevit objevy dnes?
- Periodická tabulka a pravidelnosti, které jsou s ní spojeny, nám vždy pomáhají posoudit, jak se různé typy atomů sousedících s ní chová, a předpovídat vlastnosti některých sloučenin.
Například některé typy našich motorů mají vestavěné atomy kyslíku. Díky tabulce chápeme, že síra bude ve svých vlastnostech podobná síře, ale zároveň je o něco větší. To nám umožňuje pružně řídit chování takových molekulárních strojů, výměnu kyslíku za síru a naopak.
Propagační video:
To samozřejmě nekončí našimi schopnostmi predikce. Nedávno bylo objeveno mnoho dalších zákonů, které umožňují předpovídat některé z vlastností nanomachinů.
Na druhé straně pochybuji, že pro takové nanostruktury můžeme vytvořit něco jako periodickou tabulku. Zde, pokud je to v zásadě možné, nemáme dostatek znalostí.
Můžeme tedy zhruba předpovědět, jak se budou chovat molekulární motory různých velikostí podobné struktury, ale nemůžeme to udělat pro radikálně odlišné systémy nebo navrhnout něco od nuly bez provádění experimentů.
Nedávno jste řekl, že první plnohodnotné nanoroboty se objeví asi za padesát let. Na druhou stranu, jen před rokem a půlem se ve Francii uskutečnil první „závod“takových nanomachinů. Jak daleko jsme od vzniku autonomních nanovláken?
- Mělo by být zřejmé, že všechny dnes existující molekulární stroje jsou velmi primitivní jak strukturou, tak účelem. Ve skutečnosti ani naše auto, které jsme sestavili v roce 2011, ani tato „závodní auta“nebyly vytvořeny, aby vyřešily žádné praktické problémy, ale aby uspokojily zvědavost.
My i naši kolegové vyvíjíme taková zařízení, abychom vyřešili velmi jednoduché problémy - snažíme se přijít na to, jak přimět molekuly, aby se pohybovaly jedním nebo druhým směrem, zastavily a provedly další jednoduché příkazy. To je zajímavý, ale stále čistě akademický problém.
Další krok je mnohem obtížnější a vážnější. Je důležité pochopit, zda mohou být zapojeny do skutečně praktických úkolů: přeprava zboží, montáž do složitějších struktur a reakce na vnější podněty.
Například, nanomachines mohou být použity k vytvoření inteligentních oken, které reagují na úroveň pouličního osvětlení a mohou se samy opravit; antibiotika, která fungují, pouze pokud se objeví určitý chemický nebo světelný signál. Zdá se mi, že takové věci se objeví mnohem dříve, než si myslíte - v příštích deseti letech.
* Nanobolid * na závodní dráze z měděného substrátu.
Vytvoření plnohodnotných nanorobotů schopných provádět operace uvnitř těla nebo řešit složité problémy bude samozřejmě trvat déle. Ale znovu jsem si jist, že to dokážeme také. V lidském těle je bezpočet takových robotů a nic nám nebrání ve vytváření jejich umělých kopií.
Na druhé straně jsme, jak jsem již řekl více než jednou, v době bratří Wrightů nyní na stejné úrovni rozvoje jako lidstvo. Nejprve se musíme rozhodnout, co a proč vytvoříme, a pak přemýšlet o tom, jak to udělat.
Zdá se mi, že byste neměli bezmyšlenkovitě kopírovat to, co příroda vynalezla. Někdy lze vytvořit zcela umělé systémy, jako jsou letadla nebo počítačové čipy, mnohem jednodušší než analoga křídel nebo lidského mozku.
V jiných případech je snazší vzít to, co živé organismy již vytvořily, například některé protilátky, a připojit k nim lék nebo část nanomachinu. Podobné přístupy se již používají v medicíně. Nelze tedy jednoznačně říci, že kterýkoli z nich bude pro všechny možné aplikace nanorobotů slibnější a korektnější.
V posledních letech se objevily dvě „třídy“nanomachinů - relativně jednoduché struktury, které přijímají energii z vnějšku, a složitější struktury, plnohodnotné analogy motorů, které jsou schopny ji samostatně vyrábět. Které z nich jsou blíže realitě?
- Chemické motory, podobné analogům v živých buňkách, se začaly objevovat. Nedávno jsme v naší laboratoři vytvořili několik podobných zařízení.
Například se nám podařilo sestavit nanomachin schopný používat glukózu a peroxid vodíku jako palivo a transport nanotrubic, nanočástic a dalších těžkých struktur v jakémkoli směru.
Je těžké říci, jak jsou slibné - vše záleží na úkolech, které mají být vyřešeny. Pokud potřebujeme zorganizovat „transport“některých molekul, jsou pro to ideální. Chcete-li vytvořit inteligentní okna nebo jiné pomůcky, musíte již hledat jiný materiál.
Kromě toho stále nechápeme, co přesně nám chybí, jaké analogy klasických strojů lze vytvořit pomocí molekul a kam se celá naše sféra bude pohybovat obecně. Ve skutečnosti jsme to právě začali vyvíjet. Doposud je jasná pouze jedna věc - nanomachiny se liší od biomachinů v našich buňkách a od jejich „velkých sester“v makrokosmu.
Pokud mluvíme o vzdálené budoucnosti, je možné použít molekulární stroje schopné se samy kopírovat k vyřešení globálních problémů, například k dobytí Marsu nebo jiných planet?
- Je pro mě obtížné mluvit o jiných světech, protože tento problém je daleko za hranicemi mé kompetence. Domnívám se však, že nanomachiny nebudou pravděpodobně pro takové účely použity vůbec. Když se pokoušíme zvládnout nějaké nové a velmi drsné prostředí, potřebujeme velmi spolehlivou technologii, ne něco experimentálního.
Proto se mi zdá, že takové stroje nejprve najdou uplatnění na Zemi. Můžeme říci, že k tomu již dochází: v posledních letech chemici vytvořili stovky velmi složitých struktur mnoha molekul, tzv. Supramolekulárních struktur, které se mohou selektivně vázat na určité ionty a ignorovat všechno ostatní.
Například můj kolega Francis Stoddart nedávno založil startup, ve kterém vyvíjí komplexy, které mohou čerpat zlato z těžebního odpadu a skládek odpadů. V minulosti bylo vytvoření takových sloučenin považováno za fantazii alchymistů.
Diskuse o nanomachinech nejčastěji způsobují u veřejnosti skutečný strach, protože se obávají, že budoucí mikroskopické roboty zničí civilizaci a veškerý život na Zemi. Je možné s tím nějak bojovat?
„Tyto problémy mají hodně společného s Creation Machines: The Coming Era of Nanotechnology, kterou napsal Eric Drexler v roce 1986. Scénář smrti lidstva v důsledku sebepropagování „šedého hlenu“, který je v něm představen, je dnes znám téměř každému.
Ve skutečnosti zde není nic neobvyklého - při vytváření nových nanomachinů přijímáme stejná opatření jako při práci s novými a potenciálně toxickými chemikáliemi.
V tomto ohledu se složky nanorobotů neliší svým ničivým potenciálem od „stavebních bloků“, ze kterých se shromažďují molekuly nových léčiv, polymerů, katalyzátorů a dalších „běžných“chemických produktů.
Stejně jako jakékoli jiné léky nebo potravinářské výrobky, i tyto molekulární struktury budou muset projít velkým množstvím bezpečnostních testů, které ukáží, zda mohou „vzbouřit“a zničit lidstvo.
Ve skutečnosti není nic takového překvapujícího - lidé jsou zvyklí se obávat něčeho nového a neobvyklého. Každé desetiletí je nový „hororový příběh“ze světa fyziky, chemie nebo biologie, který nahrazuje věci, na které jsme již zvyklí. Nyní se například stalo módní obávat se a kritizovat genomický editor CRISPR / Cas9 a umělou inteligenci.
Co by měli vědci dělat? Zdá se mi, že náš úkol je jednoduchý: musíme veřejnosti pomoci zjistit, co je pravda a co je fikce. Je důležité pochopit praktické výhody těchto nových objevů a to, kde leží jejich skutečné nebezpečí.
Pokud například lidé pochopí, že CRISPR / Cas9 je dokáže vyléčit z nemocí spojených s genetickými defekty nebo zvýšit produktivitu rostlin, budou mít menší důvod k obavám z této technologie. Totéž platí pro nanomachiny budoucnosti.