Znanstvenici već duže vrijeme stvaraju i testiraju razne nanomašine u laboratorijima. U stvari, to su molekularni konstrukti čiji je zadatak obavljanje bilo koje korisne funkcije: na primjer, dostavljati lijekove oboljelom organu, identificirati patogena ili popraviti nešto. Kad se pojave prvi "korisni" nanoroboti, hoće li im pomoći kolonizirati Mars i druge planete?
Na ta pitanja odgovara Ben Feringa, profesor sa Sveučilišta u Groningenu u Nizozemskoj. Godine 2016., zajedno s Francuzom Jean-Pierreom Sauvageom i Scotsmanom Fraserom, osvojio je Nobelovu nagradu za dizajn i konstrukciju molekularnih strojeva. Vaše nanomašine su izrađene od vrlo uobičajenih elemenata poput ugljika, dušika ili sumpora. Možemo li očekivati više egzotičnih komponenti u njima - na primjer, rijetki zemni metali ili radioaktivne tvari?- Na ovo je pitanje vrlo teško odgovoriti iz jednog jednostavnog razloga: još uvijek ne znamo što takvi molekularni konstrukti mogu, a što ne mogu. Istodobno, unatoč velikim razlikama u strukturi naših nanomotora, rotora i ostalih elemenata, svi mi - moja grupa, Stoddart, Sauvage i mnogi drugi kolege - još uvijek rade isključivo s organskim molekulama. Naravno, ništa nas ne sprječava da zamislimo da se ovako nešto može stvoriti isključivo anorganskim spojevima. Primjerice, izgraditi složenu vezu i natjerati je da se, poput naših molekularnih motora, okreće oko vlastite osi. Nitko, međutim, još nije sastavio takve nanomotore.
Razlog je jednostavan. Zahvaljujući razvoju farmaceutskih proizvoda i polimerne kemije, naučili smo vrlo brzo i dobro sintetizirati složene spojeve koji se sastoje od ugljikovodičnih lanaca. Siguran sam da se isto može učiniti s anorganskim spojevima, ali da bismo to učinili, prvo moramo shvatiti kako sastaviti takve molekule.
Kada je riječ o radioaktivnim izotopima, mislim da oni nikada neće postati dio nanomašina. Njihova neobična svojstva i nestabilnost vjerojatno ih čine nepodobnim za rad kao dio stabilnih molekularnih sustava koji koriste svjetlost ili električnu energiju kao svoj izvor energije.
S tim u vezi, nas više zanimaju biološki molekularni motori, čije su stotine prisutne u ljudskom tijelu. Sve su to proteinske mašine, od kojih mnoge sadrže atome metala.
Najčešće igraju ključnu ulogu u reakcijama koje pokreću ove biomajke. Stoga mi se čini da kombinacija metalnih kompleksa i organskih spojeva koji ih okružuju izgleda najperspektivnije.
Ove godine slavimo 150. obljetnicu periodične tablice. Možete li objasniti kako vam ovo dostignuće od stoljeća i pol danas pomaže u otkrićima?
- Periodna tablica i zakoni svojstveni njoj zapravo nam uvijek pomažu da procijenimo kako se ponašaju različiti tipovi atoma koji se nalaze u njemu i predvidimo svojstva nekih spojeva.
Na primjer, neke vrste naših motora imaju ugrađene atome kisika. Zahvaljujući tablici razumijemo da će sumpor biti sličan njemu po svojstvima, ali istodobno je malo veće veličine. To nam omogućava fleksibilnu kontrolu ponašanja takvih molekularnih strojeva, razmjenu kisika za sumpor i obrnuto.
Promotivni video:
To, naravno, ne završava s našim mogućnostima predviđanja. Nedavno su otkriveni mnogi drugi zakoni koji omogućuju predviđanje nekih karakteristika nanomašina.
S druge strane, sumnjam da možemo stvoriti nešto poput periodične tablice za takve nanostrukture. Ovdje mi, ako je moguće u principu, nemamo dovoljno znanja.
Dakle, otprilike možemo predvidjeti kako će se ponašati molekularni motori različitih veličina, sličnih struktura, ali to ne možemo učiniti za radikalno različite sustave ili dizajnirati nešto ispočetka bez provođenja eksperimenata.
Nedavno ste rekli da će se prvi puni nanoroboti pojaviti nakon pedeset godina. S druge strane, prva "utrka" takvih nanomašina održala se u Francuskoj prije samo godinu i pol. Koliko smo udaljeni od pojave autonomnih nanode uređaja?
- Treba razumjeti da su svi molekularni strojevi koji postoje danas vrlo primitivni i po strukturi i po svojoj namjeni. U stvari, i naš automobil, koji smo sastavili 2011. godine, i ovi „trkački automobili“stvoreni su ne da bi riješili bilo kakve praktične probleme, već da bi zadovoljili znatiželju.
I mi i kolege razvijamo takve uređaje za rješavanje vrlo jednostavnih problema - pokušavamo shvatiti kako da se molekule kreću u jednom ili drugom smjeru, zaustavljamo i izvršavamo druge jednostavne naredbe. To je zanimljiv, ali još uvijek čisto akademski problem.
Sljedeći je korak mnogo teži i ozbiljniji. Važno je razumjeti je li ih moguće uključiti u zaista praktične zadatke: prijevoz robe, sastavljanje u složenije strukture i reagiranje na vanjske podražaje.
Na primjer, nanomachines mogu se koristiti za stvaranje pametnih prozora koji odgovaraju na razinu ulične rasvjete i mogu se popraviti; antibiotici koji djeluju samo kad se pojavi određeni kemijski ili svjetlosni signal. Takve stvari, čini mi se, pojavit će se mnogo ranije nego što mislite - u sljedećih deset godina.
* Nanobolid * na trkačkoj stazi od bakrene podloge.
Stvaranje cjelovitih nanorobota sposobnih za obavljanje operacija unutar tijela ili rješavanje složenih problema, naravno, trebati će više vremena. Ali, opet, siguran sam da i mi to možemo. U ljudskom tijelu postoji bezbroj takvih robota i ništa nas ne sprječava da stvorimo njihove umjetne kopije.
S druge strane, mi smo, kao što sam već rekao više puta, sada na približno istoj razini razvoja kao i čovječanstvo u doba braće Wright. Prvo moramo odlučiti što ćemo i zašto stvoriti, a zatim razmisliti kako to učiniti.
Čini mi se da ne biste trebali nepromišljeno kopirati ono što je priroda izmislila. Ponekad je potpuno umjetne sustave poput zrakoplova ili računalnih čipova mnogo lakše stvoriti od analoga krila ili ljudskog mozga.
U drugim je slučajevima lakše uzeti ono što su živi organizmi već stvorili, na primjer, neka antitijela, i na njih priključiti lijek ili dio nanomašina. Slični pristupi se već koriste u medicini. Stoga se ne može nedvosmisleno reći da će bilo koji od njih biti obećavajući i ispravniji za sve moguće primjene nanorobota.
Posljednjih godina pojavile su se dvije „klase“nanomašina - relativno jednostavne strukture koje primaju energiju izvana, i složenije strukture, punopravni analozi motora, sposobni samostalno ih proizvoditi. Koje su bliže stvarnosti?
- Kemijski motori, pomalo slični analogima u živim stanicama, stvarno su se počeli pojavljivati. Nedavno smo stvorili nekoliko sličnih uređaja u našem laboratoriju.
Na primjer, uspjeli smo sastaviti nanomaparat koji bi mogao koristiti glukozu i vodikov peroksid kao gorivo i prevoziti nanocjevčice, nanočestice i druge teške strukture u bilo kojem smjeru.
Teško je reći koliko su obećavajući - sve ovisi o zadacima koje treba riješiti. Ako trebamo organizirati "prijevoz" nekih molekula, onda su one idealne za to. Za stvaranje pametnih prozora ili drugih naprava, zauzvrat, već morate potražiti drugi materijal.
Osim toga, još ne razumijemo što nam točno nedostaje, koji se analozi klasičnih strojeva mogu stvoriti pomoću molekula i gdje će se kretati cijela naša sfera općenito. Zapravo smo ga tek počeli razvijati. Do sada je jasno samo jedno - nanomašini se razlikuju od biomašina u našim stanicama i od njihovih "velikih sestara" u makrokozmosu.
Ako govorimo o dalekoj budućnosti, je li moguće koristiti molekularne strojeve sposobne kopiranja za rješavanje globalnih problema, na primjer, osvajanje Marsa ili drugih planeta?
- Teško mi je govoriti o drugim svjetovima, jer to pitanje nadilazi moju nadležnost. Ipak, mislim da se nanomautini u prvom redu neće koristiti za takve svrhe. Kada pokušavamo savladati neko novo i vrlo oštro okruženje, potrebna nam je vrlo pouzdana tehnologija, a ne nešto eksperimentalno.
Stoga mi se čini da će takvi strojevi najprije naći primjenu na Zemlji. Možemo reći da se to već događa: posljednjih godina kemičari su stvorili stotine vrlo složenih struktura mnogih molekula, takozvane supramolekularne strukture, koje se mogu selektivno vezati za određene ione i zanemariti sve ostalo.
Primjerice, moj kolega Francis Stoddart nedavno je osnovao startup u kojem razvija komplekse koji mogu izvlačiti zlato iz rudarskog otpada i odlagališta stijena. U prošlosti bi stvaranje takvih spojeva smatrano fantazijom alkemičara.
Razgovor o nanomašinima najčešće izaziva istinski strah u javnosti, bojeći se da će budući mikroskopski roboti uništiti civilizaciju i sav život na Zemlji. Je li moguće nekako se boriti protiv toga?
Ovi problemi imaju puno veze sa strojevima za stvaranje (The Creation Machines: The Coming Era of Nanotechnology), koje je napisao Eric Drexler 1986. godine. Scenarij smrti čovječanstva kao rezultat samozastupanja „sive sluzi“predstavljen u njemu danas je poznat gotovo svima.
Zapravo, ovdje nema ništa neobično - pri stvaranju novih nanomašina poduzimamo iste mjere opreza kao i pri radu s novim i potencijalno otrovnim kemikalijama.
U tom pogledu, komponente nanorobota ne razlikuju se po destruktivnom potencijalu od „građevnih blokova“iz kojih se sastavljaju molekule novih lijekova, polimera, katalizatora i drugih „običnih“kemijskih proizvoda.
Kao i bilo koji drugi lijek ili prehrambeni proizvod, i ove molekularne strukture morat će proći ogroman broj sigurnosnih testova koji će pokazati mogu li se "pobuniti" i uništiti čovječanstvo.
Zapravo, u takvim strahovima nema ništa iznenađujuće - ljudi su navikli da se boje nečeg novog i neobičnog. Svako desetljeće dolazi nova „horor priča“iz svijeta fizike, kemije ili biologije koja zamjenjuje stvari na koje smo već navikli. Na primjer, postalo je moderno plašiti se i kritizirati CRISPR / Cas9 genomski uređivač i umjetnu inteligenciju.
Što bi trebali učiniti znanstvenici? Čini mi se da je naš zadatak jednostavan: moramo pomoći javnosti da shvati što je istina, a što fikcija. Važno je razumjeti praktične prednosti ovih novih otkrića i gdje leži njihova stvarna opasnost.
Na primjer, ako ljudi shvate da ih CRISPR / Cas9 može izliječiti od bolesti povezanih s genetskim oštećenjima ili povećati produktivnost biljaka, imat će manje razloga za strah od ove tehnologije. Isto vrijedi i za nanomašine budućnosti.
