Forskare har skapat och testat olika nanomachiner i laboratorier under lång tid. I själva verket är detta molekylära konstruktioner vars uppgift är att utföra några användbara funktioner: till exempel leverera läkemedel till ett sjukt organ, identifiera en patogen eller reparera något. När de första "användbara" nanorobotterna dyker upp, kommer de att hjälpa till att kolonisera Mars och andra planeter?
Dessa frågor besvaras av Ben Feringa, professor vid University of Groningen i Nederländerna. 2016 vann han, tillsammans med fransmannen Jean-Pierre Sauvage och Scotsman Fraser, Nobelpriset för design och skapande av molekylära maskiner. ”Dina nanomachiner är tillverkade av mycket vanliga element som kol, kväve eller svavel. Kan vi förvänta oss mer exotiska komponenter i dem - till exempel sällsynta jordartsmetaller eller radioaktiva ämnen?- Denna fråga är mycket svår att besvara av ett enkelt skäl: vi vet fortfarande inte vad sådana molekylära konstruktioner kan och inte kan göra. Samtidigt, trots de stora skillnaderna i strukturen hos våra nanomotorer, rotorer och andra element, arbetar vi alla - både min grupp, Stoddart, Sauvage och många andra kollegor - uteslutande med organiska molekyler. Naturligtvis hindrar ingenting oss från att föreställa oss att något liknande kan skapas med enbart oorganiska föreningar. Till exempel, för att konstruera en komplex anslutning och få den, som våra molekylmotorer, att rotera runt sin egen axel. Ingen har emellertid ännu monterat sådana nanomotorer.
Anledningen är enkel. Tack vare utvecklingen av läkemedel och polymerkemi har vi lärt oss att mycket snabbt och väl syntetisera komplexa föreningar som består av kolvätekedjor. Jag är säker på att detsamma kan göras med oorganiska föreningar, men för att göra detta måste vi först förstå hur man monterar sådana molekyler.
När det gäller radioaktiva isotoper tror jag inte att de någonsin kommer att bli en del av nanomachiner. Deras ovanliga egenskaper och instabilitet kommer sannolikt att göra dem olämpliga för att fungera som en del av stabila molekylsystem som använder ljus eller elektricitet som sin energikälla.
I detta avseende är vi mer intresserade av biologiska molekylmotorer, av vilka hundratals sorter finns i människokroppen. De är alla proteinmaskiner, av vilka många innehåller metallatomer.
Oftast spelar de en nyckelroll i de reaktioner som får dessa biomaskiner att röra sig. Därför verkar det som om en kombination av metallkomplex och organiska föreningar som omger dem ser den mest lovande ut.
I år firar vi 150-årsjubileumet för det periodiska systemet. Kan du förklara hur denna prestation på ett och ett halvt sekel hjälper dig att upptäcka idag?
- Den periodiska tabellen och de lagar som ligger i den hjälper oss faktiskt alltid att bedöma hur olika typer av atomer som gränsar till den uppför sig och att förutsäga egenskaperna hos vissa föreningar.
Till exempel har vissa typer av våra motorer inbyggda syreatomer. Tack vare tabellen förstår vi att svavel kommer att likna det i dess egenskaper, men samtidigt är det något större i storlek. Detta gör att vi flexibel kan styra beteendet hos sådana molekylära maskiner, utbyta syre mot svavel och vice versa.
Kampanjvideo:
Detta slutar naturligtvis inte med våra förutsägelsefunktioner. Det finns många andra lagar som nyligen har upptäckts som gör det möjligt att förutsäga några av nanomachines egenskaper.
Å andra sidan tvivlar jag på att vi kan skapa något som en periodisk tabell för sådana nanostrukturer. Här har vi, om det är möjligt i princip, inte tillräckligt med kunskap.
Så vi kan grovt förutsäga hur molekylmotorer av olika storlekar, liknande i struktur, kommer att bete sig, men vi kan inte göra detta för radikalt olika system eller konstruera något från grunden utan att göra experiment.
Du sa nyligen att de första fullverdiga nanoroboterna kommer att dyka upp på cirka femtio år. Å andra sidan, för bara ett och ett halvt år sedan, ägde det första "loppet" av sådana nanomachines i Frankrike. Hur långt är vi från uppkomsten av autonoma nanodelar?
- Det bör förstås att alla molekylära maskiner som finns idag är mycket primitiva både i struktur och i syfte. Faktum är att både vår bil, som vi monterade 2011, och dessa "racingbilar" skapades inte för att lösa några praktiska problem, utan för att tillfredsställa nyfikenhet.
Både vi och våra kollegor utvecklar sådana enheter för att lösa mycket enkla problem - vi försöker ta reda på hur man får molekyler att röra sig i en eller annan riktning, stoppa och utföra andra enkla kommandon. Detta är ett intressant men ändå rent akademiskt problem.
Nästa steg är mycket svårare och allvarligare. Det är viktigt att förstå om det är möjligt att engagera dem i verkligt praktiska uppgifter: att transportera varor, montera i mer komplexa strukturer och svara på yttre stimuli.
Till exempel kan nanomaskiner användas för att skapa smarta fönster som svarar på gatubelysningsnivåer och kan reparera sig själva; antibiotika som fungerar endast när en viss kemikalie- eller ljussignal visas. Sådana saker, verkar jag, kommer att visas mycket tidigare än du tror - under de kommande tio åren.
* Nanobolid * på tävlingsbanan från ett kopparsubstrat.
Skapandet av fullfjädrade nanoroboter som kan utföra operationer i kroppen eller lösa komplexa problem kommer naturligtvis att ta mer tid. Men jag är återigen säker på att vi också kan göra det. Det finns otaliga sådana robotar i människokroppen, och ingenting hindrar oss från att konstruera deras konstgjorda kopior.
Å andra sidan är vi, som jag har sagt mer än en gång, nu på ungefär samma utvecklingsnivå som mänskligheten i Wright-brödernas dagar. Först måste vi bestämma vad och varför vi ska skapa och sedan tänka på hur vi gör det.
Det verkar för mig att du inte ska tankelöst kopiera vad naturen har uppfunnit. Ibland är helt konstgjorda system, som flygplan eller datorchips, mycket lättare att skapa än analoger av en vinge eller en mänsklig hjärna.
I andra fall är det lättare att ta vad levande organismer som redan har skapat, till exempel vissa antikroppar, och fästa en medicin eller en del av en nanomachine till dem. Liknande metoder används redan inom medicinen. Därför kan det inte sägas entydigt att någon av dem kommer att vara mer lovande och korrekta för alla möjliga tillämpningar av nanorobots.
På senare år har två "klasser" av nanomachiner dykt upp - relativt enkla strukturer som tar emot energi från utsidan, och mer komplexa strukturer, fullfjädrade analoger av motorer, som kan producera den självständigt. Vilka är närmare verkligheten?
- Kemiska motorer, något som liknar analoger i levande celler, började verkligen dyka upp. Vi har nyligen skapat flera liknande enheter i vårt laboratorium.
Till exempel lyckades vi sätta ihop en nanomachin som kan använda glukos och väteperoxid som bränsle och transportera nanorör, nanopartiklar och andra tunga strukturer i vilken riktning som helst.
Det är svårt att säga hur lovande de är - det beror på vilka uppgifter som ska lösas. Om vi behöver organisera "transport" av vissa molekyler, är de idealiska för detta. För att skapa smarta fönster eller andra prylar måste du i sin tur redan leta efter annat material.
Dessutom förstår vi fortfarande inte exakt vad vi saknar, vilka analoger av klassiska maskiner som kan skapas med hjälp av molekyler och var hela vår sfär rör sig i allmänhet. Vi har faktiskt just börjat utveckla det. Hittills är det bara en sak som är tydlig - nanomachiner skiljer sig från biomaskiner i våra celler och från deras”stora systrar” i makrokosmos.
Om vi talar om den avlägsna framtiden, är det möjligt att använda molekylära maskiner som kan kopiera sig själva för att lösa globala problem, till exempel för att erövra Mars eller andra planeter?
- Det är svårt för mig att prata om andra världar, eftersom denna fråga går långt utöver min kompetens. Ändå tror jag att det inte är troligt att nanomachiner kommer att användas för sådana syften i första hand. När vi försöker bemästra en ny och väldigt hård miljö behöver vi mycket pålitlig teknik, inte något experimentellt.
Därför verkar det som om sådana maskiner först kommer att hitta applikationer på jorden. Vi kan säga att detta redan händer: de senaste åren har kemister skapat hundratals mycket komplexa strukturer av många molekyler, de så kallade supramolekylära strukturerna, som selektivt kan binda till vissa joner och ignorera allt annat.
Till exempel grundade min kollega Francis Stoddart nyligen en nystart där han utvecklar komplex som kan utvinna guld från gruvavfall och avfallsrester. Tidigare skulle skapandet av sådana föreningar ha betraktats som alkemiers fantasi.
Att prata om nanomachiner orsakar oftast äkta rädsla bland allmänheten och fruktar att framtida mikroskopiska robotar kommer att förstöra civilisationen och allt liv på jorden. Är det möjligt att på något sätt bekämpa detta?
”Dessa problem har mycket att göra med Creation Machines: The Coming Era of Nanotechnology, skriven av Eric Drexler 1986. Scenariot för mänsklighetens död till följd av självförökningen av "grått slem" som presenteras i det är känt idag för nästan alla.
Det finns faktiskt inget ovanligt här - när vi skapar nya nanomachiner tar vi samma försiktighetsåtgärder som när vi arbetar med nya och potentiellt giftiga kemikalier.
I detta avseende är komponenterna i nanoroboter inte annorlunda vad gäller deras destruktiva potential från "byggstenarna" från vilka molekylerna för nya läkemedel, polymerer, katalysatorer och andra "vanliga" kemiska produkter samlas.
Liksom alla andra läkemedel eller livsmedelsprodukter kommer dessa molekylära strukturer att behöva genomgå ett stort antal säkerhetstester som visar om de kan "göra uppror" och förstöra mänskligheten.
Det finns faktiskt inget överraskande i sådana rädsla - människor är vana att vara rädda för något nytt och ovanligt. Varje decennium finns det en ny "skräckhistoria" från världen av fysik, kemi eller biologi, som ersätter de saker som vi redan är vana vid. Nu har det till exempel blivit modernt att frukta och kritisera CRISPR / Cas9 genomisk redaktör och konstgjord intelligens.
Vad bör forskare göra? Det verkar för mig att vår uppgift är enkel: vi måste hjälpa allmänheten att ta reda på vad som är sant och vad som är fiktion. Det är viktigt att förstå de praktiska fördelarna med dessa nya upptäckter och var deras verkliga fara ligger.
Om människor till exempel förstår att CRISPR / Cas9 kan läka dem av sjukdomar som är förknippade med genetiska defekter eller öka växtproduktiviteten, kommer de att ha mindre anledning att frukta denna teknik. Detsamma gäller för framtidens nanomachiner.
