Несмотря на высокий уровень развития технологий, появления устройств, о которых наши родители читали только в книгах футурологов, в мире до сих пор существуют неизлечимые болезни. Одна из них - болезнь Альцгеймера - болезнь, которую очень трудно диагностировать, а еще труднее вылечить. Этой болезнью страдают около 50 миллионов людей. Одним из перспективных методов лечения этой болезни считается применение нанороботов для локализации и лечения очагов болезни на клеточном уровне. Давайте разберемся:
- что такое нанороботы?
- что такое болезнь Альцгеймер и почему она неизлечима на данный момент?
- возможно ли лечение данной болезни с помощью нанороботов и спасение миллионов жизней?
В первой части статьи затронем вопрос "Что такое нанороботы?".
Что такое нанороботы?
Под нанороботами подразумевают объект, который нельзя разглядеть глазами, с программируемым поведением, взаимодействующий с другими объектами аналогичного размера, то есть способный работать на атомном, молекулярном или клеточном уровне. Размеры таких роботов могут варьироваться от десятых долей до сотен нанометров, в зависимости от их конструкции и предназначения. Для сравнения, толщина человеческого волоса - около 100 000 нанометров.
Привычных микросхем и полупроводников, изготовленных из металла, у нанороботов нет. Они состоят из молекул и атомов, причем их устройство может быть совершенно различным. Нанороботы могут быть сделаны из органических (белки, нуклеиновые кислоты), неорганических (кремний, углерод, ферроматериалов) соединений и их сочетаний. У нанороботов есть сенсорная, двигательная часть и процессор: первая отвечает за “чувства”, вторая - за способность передвигаться в пространстве, а процессор - за “мозги” робота.
Кстати, помимо термина "наноробот" также используют выражение "наноген", однако, технически правильным термином в контексте инженерных исследований все равно остается термин "наноробот".
Также следует отличать наномашины от нанороботов. Отличие заключается в том, что, помимо сенсорной и двигательной части, наноробот должен обязательно иметь процессор как отдельную функциональную единицу. Иначе ― это наномашина, выполняющая только команды.
Наномашины тоже состоят из молекул и атомов, которые и являются аналогами моторов, манипуляторов и движущихся частей машин из макромира. Например, наномашина, созданная самой природой ― жгутик бактерии: это настоящий агрегат с микроскопическим «электродвигателем» и «ротором», приводящими жгутик во вращательное движение. Другой пример ― искусственно созданный биоинженерами из Америки шагающая молекулярная наномашина: она может ходить по ДНК и слушать команды «идти», «повернуть», «остановиться». То есть наномашины можно запрограммировать на определенное поведение. Наномашины программируются не машинным, а генетическим кодом! А наноробот должен сам анализировать текущую ситуацию и выполнить требуемую работу.
Но, для простоты, в статье не будет разделять эти термины и будем везде использовать более маркетинговый термин “наноробот”.
Какие проекты есть на данный момент?
На сегодняшний день, разработка нанороботов находится на стадии создания единичных образцов, способных выполнять минимальный объем функций. Но в мире таких проектов существует уже очень много! Вот список только самых интересных из них.
Самый маленький двигатель
Группа физиков из Университета Майнца в Германии недавно построила самый маленький двигатель в истории - из одного атома. Как и любой другой, этот двигатель преобразует тепловую энергию в движение — но делает это на самых малых масштабах. Атом находится в ловушке в конусе электромагнитной энергии, а с помощью лазеров его нагревают и охлаждают, что приводит к движению атома в конусе вперед и назад, будто поршня двигателя внутреннего сгорания.
Наномашины из ДНК
Инженеры-механики из Университета штата Огайо спроектировали и построили сложные наноразмерные механические части, используя ДНК. Это доказывает то, что одни и те же основные принципы проектирования, которые применяются к полноразмерным роботам, можно применить и к ДНК, что позволяет производить сложные, управляемые компоненты для будущих нанороботов.
Наноплавники
Ученые ETH Zurich и Technion разработали эластичный «наноплавник» в виде нанопроволоки длиной в 15 микрометров и толщиной в 200 нанометров, который может двигаться через биологическую жидкость на скорости 15 микрометров в секунду. Наноплавники можно приспособить для доставки лекарств и с помощью магнитов проводить их через кровоток к целевым клеткам.
Наномашины по типу головастиков
Группа ученых из Университета Твенте (Нидерланды) и Немецкого университета в Каире (Египет) разработала нанороботов по типу головастиков, которыми можно было бы управлять с помощью слабых магнитных полей. Их можно использовать для очень точных и сложных наноманипуляций.
Нанороботы на основе бактерий
Инженеры Университета Дрекселя разработали способ использования электрических полей, чтобы помогать нанороботам, работающим от бактерий, обнаруживать препятствия и перемещаться к ним. Область применения включает доставку лекарств, манипуляцию стволовыми клетками для их направленного роста или строительство микроструктур.
Наноракеты
Несколько групп исследователей недавно построили высокоскоростную версию наноразмерных ракет с дистанционным управлением, объединив наночастицы с биологическими молекулами. Ученые надеются разработать ракету, способную работать в любой среде, например, для доставки лекарства в целевую область тела.
Нанороботы-уничтожители клеток
Американские и китайские биохимики создали нанороботов из нитей ДНК, способных опознавать раковые клетки и лишать их пищи, создавая тромбы в соседних кровеносных сосудах. Эти нанороботы представляют собой плоский лист, сплетенный из нитей ДНК, объединенных в некое подобие мехов аккордеона или "гармошечных" дверей автобусов. Этот лист, в свою очередь, свернут в трубку, края которой "зашиты" при помощи другого типа молекул ДНК, которые отвечают за распознавание раковых клеток. Когда такой наноробот контактирует с раковой клеткой, этот шов расходится и содержимое наноробота – молекулы белка – покидают его и начинают взаимодействовать с окружающей средой. В результате этого в месте контакта наноробота и клетки возникает тромб, который блокирует движение крови и не дает питательным веществам и кислороду проникнуть в опухоль.
Нанороботы вместо фильтров для воды
Нанороботы могут очистить воду от тяжелых металлов. Исследователи из Пражского университета химии и технологии разработали термочувствительных магнитных нанороботов, способных связываться с тяжелыми металлами при одном внешнем воздействии и высвобождать их при другом. Нанороботы (каждый шириной всего 200 нанометров) изготовлены из полимеров и оксида железа. Полимер обеспечивает каркас и оболочку робота, а соединение железа выполняет роль магнита для сбора частиц тяжелых металлов. При помещении в прохладную воду наноробот связывается с тяжелыми металлами. Но если затем поместить его в теплую воду, то связи в полимере ослабевают и металлы отделяются от робота. На практике это означает, что группу нанороботов можно поместить в прохладную загрязненную воду, где они естественным образом рассеиваются и связываются с любыми тяжелыми металлами. Затем нанороботов можно достать при помощи магнитного поля и переместить в сосуд с теплой водой, где нанороботы под воздействием тепла высвобождают поглощенные металлы. Затем нанороботов можно использовать в новом цикле очистки.
В качестве промежуточного вывода
Как видно из списка проектов, ученые достаточно успешно освоили создание нанороботов, которые выполняют тот минимальный набор функций, который необходим для их применения в медицине: движение к заданной точке, распознавание клеток, точечное внедрение вещества, выполнение команд при помощи внешнего воздействия различной природы. Но почему до сих пор мы не увидели во всех интернет-ресурсах заголовка: “Ученые с помощью нанороботов успешно вылечили пациента с болезнью Альцгеймера”? Ответ на этот вопрос дадим в следующей части статьи.
Подпишись, чтобы не пропустить! А свое мнение о данном вопросе напиши в комментариях!
Автор: Борис Лонкин
