Чудеса молекулярных машин

Открытия, удостоенные Нобелевской премии 2016 года в области естественных наук - медицины, физики и химии, связаны с возможностью создания новых молекул, клеток, материалов. Они настолько фантастичны, что сейчас даже трудно сказать, что конкретно может получиться в будущем. Но, возможно, это те основы, которые перевернут наш мир в грядущем столетии.

Константин Ранке, научный обозреватель Московского центра Карнеги

Нобелевская премия по химии за 2016 год досталась Жан-Пьеру Соважу, Джеймсу Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринге за проектирование так называемых молекулярных машин. Молекулярные машины мы встречаем в природе повсюду. Жизнь клетки обеспечивают именно молекулярные машины, и, таким образом, Нобелевская премия по химии созвучна Нобелевке по медицине японского биолога Ёсинори Осуми за исследования удивительных внутриклеточных процессов «самопоедания».

Идея конструирования сверхмалых агрегатов с деталями из молекул родилась в середине 1980-х годов. Тогда выдающийся физик, лауреат Нобелевской премии Ричард Фейнман предсказал, что через несколько десятилетий медики будут применять механизмы, собранные из единичных молекул. Однако на практике создание таких машин пошло иным путем.

Химики не стали использовать химические связи, соединяющие отдельные молекулы в целые блоки. Они стали экспериментировать со связями между молекулами механического типа, напоминающими сцепление зубцов у шестеренок.

И вот в 1993 году французские исследователи во главе с Жан-Пьером Соважем смогли создать механическое переплетение двух молекул, которые поначалу притягивались к иону меди. Молекулы соединялись вокруг этого иона, который затем удалялся, и получалось уникальное зацепление двух колец. Это был первый шаг к созданию молекулярных машин. Но чтобы машины работали, их части должны двигаться относительно друг друга. И в 1994 году группа Соважа смогла сделать так, чтобы одна молекула вращалась вокруг другой, получая энергию извне.

Молекулярные агрегаты оказались ценнейшими элементами для создания различных искусственных органов. К тому времени исследователи уже собрали молекулярное кольцо, через которое проходила такая же молекулярная ось. Когда эта конструкция получала тепловую энергию, кольцо начинало перемещаться от одного конца оси к другому. В начале нашего века подобные исследования привели к появлению группы искусственных мышц. Подобные конструкции все время усложнялись. В исследовательских лабораториях возникали все новые механизмы, напоминающие мышцы, где «молекулярные моторы» уже могли вращаться в разных направлениях.

На пороге нашего столетия успех пришел и к творческому коллективу третьего нобелевского лауреата 2016 года - Бернарда Феринги. Ему удалось разработать молекулу, которая вращалась не в произвольном, а в заданном направлении. В 2011 году группа Феринги собрала структуру из четырех молекулярных моторов, укрепленных на молекулярном же шасси. Эту конструкцию даже назвали наномобилем. Следующим достижением стали невиданные скорости вращения молекулярных моторов, достигавшие десятков миллионов оборотов в секунду. Размер такого мотора в 1000 раз меньше сечения человеческого волоса.

Сотрудники Феринги раскручивали с помощью таких моторов и весьма крупные тела вроде стеклянных цилиндров, в несколько тысяч раз превышающих по размерам молекулярных малюток. Эти достижения были применены в первом молекулярном роботе, способном соединять молекулы аминокислот.

Между прочим, первые миниатюрные роботы появились всего несколько десятилетий назад, а их совсем уже микроскопические потомки под названием «нанороботы» - совсем недавно. Кстати, приставка «нано-» означает очень маленький размер. Вот, к примеру, если бы вы стали такими же крошечными, как самое маленькое миллиметровое деление на обычной школьной линейке, и вместе с вами уменьшилась и сама линейка, то ее уменьшившимися «миллиметрами» и можно было бы измерять нанороботов. Но не всех! Сейчас ученые конструируют механизмы, которые будут еще меньше!

Биологи уверены, что уже через несколько лет в их распоряжении окажется целая армия нанороботов для генетических исследований. Роль разных движущихся частей в подобных наноразмерных «киберах» будут выполнять специальные очень большие молекулы (их называют макромолекулами, приставка «макро - означает «большой»). Цепляясь друг за друга, они смогут раскручивать длинные молекулярные цепочки, как самый настоящий двигатель, черпающий энергию прямо в человеческом организме.

Сегодня трудно даже представить, сколько новых необычных профессий ожидает этих металлических и пластмассовых крошек с молекулярными двигателями! Прежде всего их ждут не дождутся медики. Тут можно вспомнить голливудские блокбастеры, изображающие лечебные экспедиции по нашему телу микроскопических субмарин с экипажем. Там «лечебную подлодку» вместе с ее отважным экипажем уменьшили до микроскопических размеров. Затем этот аппарат запустили в кровеносные сосуды больного человека. После многих увлекательных и опасных приключений поток крови вынес подлодку к больному органу, и смелые наномедики вылечили его, вернувшись в наш мир со слезинкой больного.

Между тем, если убрать научно-фантастический образ волшебного «уменьшителя», то путешествие по артериям и венам больного роботизированного аппарата, напоминающего специальную подлодку, является сегодняшней реальностью.

Подобные наноботы могли бы раз и навсегда решить проблемы лечения самых сложных заболеваний. При этом они будут воплощать главный тезис медиков - «не навреди», уничтожая только больные ткани. Фактически подобная нанохирургия сможет намного повысить средний возраст землян, доведя его до столетней отметки.

Можно уже наглядно представить, как будет проводиться такое нанолечение. Прежде всего наноботы направятся к больному органу и покажут его на экране компьютерного дисплея, снимая на сверхминиатюрную телекамеру - «электронный глаз». После того как врачи определят причину болезни, в организм пациента будет введен другой специализированный нанобот с иными механизмами. У него будет грузовой отсек с запасом лекарств, которые наноробот может впрыснуть с помощью иголки не толще жалящего хоботка комара. Если же нужно удалить омертвевшие ткани, то в дело вступит еще один микроскопический робот-хирург. Он очень точно и осторожно будет действовать скальпелем размером с пчелиное жало.

Но главная сфера современных миниатюрных помощников врачей - сердечнососудистая. Все тело человека пронизано сосудами, по которым наше сердце подобно неутомимому насосу гонит кровь. И как в обычных водопроводных трубах с течением времени появляется налет, так и наши сосуды постепенно «засоряются». Поэтому сердечной мышце с возрастом все тяжелее становится перегонять кровь, насыщенную кислородом в легких, к другим жизненно важным органам. Человек начинает болеть. Вот тут и нужны микроскопические помощники. Запущенные с помощью обычного шприца в кровь, они медленно движутся по сосудам, разбивая твердые известковые бляшки, готовые в любой момент закупорить живительный поток.

Кроме того, микроскопические автоматы проникают в суженные болезнью сосуды, ведущие к сердцу. Там они расставляют миниатюрные пружинки, которые, расправляясь, поддерживают стенки каналов, и кровь устремляется по ним с прежней силой.

Между тем надо заметить, что молекулярные нанотехнологии могут быть далеко не безобидны.

Так, в 2001 году профессор Калифорнийского университета Кристофер Пистер ввел парадоксальное понятие умной пыли (smartdust). Этим термином он обозначил микроскопические кибернетические устройства, обладающие зачатками собственного «разума» и способные связываться с мириадами подобных. Подобные микророботы действительно разрабатываются в современной кибериндустрии, в основном для измерения параметров окружающей среды.

Естественно, облака киберпыли будут лишь внешним проявлением гибели человеческого разума в технологической сингулярности (предполагаемого некоторыми исследователями короткого периода очень быстрого технологического прогресса). На первом этапе этого глобального кризиса «у руля» цивилизации встанут искусственные сверхинтеллекты, управляющие разнообразными киберботами (подвижными микроустройствами). Это могут быть и нейрокомпьютеры, и квантовые компьютеры, и даже некие киборгонизированные комплексы с участием человека.

Тем не менее, несмотря на все опасности наномира, новые нобелевские открытия не просто показывают возможность конструировать элементы наноразмерной реальности, но и заставляют работать в ней самые разнообразные машины и механизмы. Работать - значит жить. Биологический объект, в котором наступило химическое равновесие, просто мертв. Это достижение еще только предстоит осознать - человечество учится создавать нечто, способное строить новые молекулярные конструкции. Разумеется, ученые еще в начале пути, но уже сейчас открываются удивительные возможности, которыми нужно только правильно воспользоваться.

Олег ФАЙГ