Amerikansk kemist Chad Mirkin, som fick RUSNANOPRIZE-utmärkelsen i år, berättade för RIA Novosti om hur hans nanopartiklar kommer att öppna en ålder för genetisk medicin, utjämna rynkor i kvinnors ansikten och bota oss från cancer, och delade också sina tankar om hur när nanomaskiner kan förstöra världen.
Chad Mirkin är en av de ledande amerikanska kemisterna som är involverade i utvecklingen av nanopartiklar sammansatta från sfäriska DNA-molekyler och kombinationer av DNA eller RNA med metaller och annat oorganiskt material. Förutom "organisk" nanoteknik arbetar Mirkin aktivt med utveckling av teknik för "utskrift" av nanostrukturer, som kan användas för att tillverka elektronik och optiska enheter.
Mirkin ansågs vara en av de främsta kandidaterna för 2013 års Nobelpris i kemi, och har också tidigare nominerats till RUSNANOPRIZE-priset, som har delats ut av Rusnano sedan 2009 för vetenskaplig och teknisk utveckling eller uppfinningar inom nanoteknik som redan har införts i massproduktion.
Tchad, genetiker står ofta inför akut social avstötning när de utvecklar GMO eller genterapi, men nanoteknik i allmänhet och nanopartiklarna baserade på sfäriska DNA-molekyler som du har utvecklat har inte detta problem. Varför händer det?
- I det här fallet är det enligt min mening en grundläggande skillnad mellan skapandet av nanopartiklar och utvecklingen av genetiskt modifierade produkter. Studien av egenskaperna och skapandet av nanopartiklar tillhör först och främst antalet kemiska studier, de kan kallas resultatet av sökandet efter nya och användbara egenskaper i vissa strukturer som inte finns i naturen eller är resultatet av miniatyrisering med hjälp av en mängd olika metoder för deras skapande.
Till exempel ändrar alla material sina egenskaper när de är miniatyriserade. I synnerhet guld förlorar sin gyllene färg och blir röd i nanoskalan. Det är just därför nanoteknik är så intressant för oss. Alla dessa skillnader som uppstår under övergången till nanoskala kan användas för att utveckla nya, tidigare osedda tekniker.
Å andra sidan har DNA-redigering implementerats globalt genom specifika biokemiska processer, vars konsekvenser är mycket tydligt definierade och som för alltid förändrar hur levande organismer fungerar. Detta skapar etiska dilemman och väcker uppmärksamhet hos tillsynsmyndigheter och berörda personer om de långsiktiga konsekvenserna av sådana upplevelser.
Naturligtvis finns det människor som är rädda för den fortsatta utvecklingen av nanoteknik, men av ovanstående skäl är det extremt svårt (och oärligt för oss) att föra alla nanopartiklar till samma storlek och göra entydiga "slutsatser" att absolut alla nanoteknologier per definition är dåliga. Om du tänker på det kan själva begreppet "nanoteknik" innehålla nästan allt som vetenskapen har skapat de senaste åren. Dessutom, om man bara tittar på "vanlig" kemi, fungerar den med molekyler vars dimensioner är mindre än de strukturer som vi kallar nanomaterial.
Kampanjvideo:
Vad vi till exempel har skapat är strikt taget inte nanopartiklar utan, som jag vill kalla dem, "sfäriska nukleinsyror", en ny typ av nanostrukturer som vi skapar genom att sätta korta DNA- och RNA-molekyler på mallar med en viss form och design … De har inga naturliga ekvivalenter, men samtidigt interagerar de med levande materia och celler på ett extremt ovanligt och, framför allt, användbart sätt. De kan sägas vara en triumferande sammansmältning av kemi, biologi och nanoteknik.
Sådana nanopartiklar kan användas för att lösa en mängd problem - de kan användas för att leverera läkemedel till celler, bota cancer och reparera dess celler, diagnostisera sjukdomar och andra saker. Naturligtvis kan du anpassa dem för skada, men det är inte vad vi gör vid Northwestern University.
Du har redan utsetts till en av kandidaterna till Nobelpriset tidigare, och i år delades det ut för en av de viktigaste upptäckterna inom nanoteknikområdet. Tror du inte att du har glömt dig förtjänat?
- Priset delades faktiskt ut i år för en upptäckt som inte har något att göra med vår forskning - den mottogs bland annat av en av mina universitetskollegor, Fraser Stoddart. Feringa, Savage och Stoddart arbetade för att skapa molekylära maskiner - extremt råa miniatyranaloger av mekaniska rotorer och brytare, som kan utföra samma uppgifter som konventionella maskiner, men på nanoskala.
Vi kan säga att "Nobelpriset" gick till nanoteknik, men du måste förstå att detta vetenskapliga område är mycket brett och innehåller ett mycket brett spektrum av problem, från miljöskydd, medicin och slutar med energi och elektronik. I det här fallet är dessa nanoteknologier väldigt långt ifrån vad vi gör.
Om vi pratar om Nobelpriset kan jag inte säga någonting - det är inte mitt privilegium att bestämma vem som ska få det, låt experterna från Nobelkommittén göra det.
En av årets prisvinnare, Ben Feringa, tror att det är osannolikt att nanomaskiner någonsin kommer att hota mänskligheten. Vad tycker du om denna fråga som människor tänker på när de tänker på farorna med nanoteknik?
- Återigen, om du uppmärksammar vad de gav Nobelpriset i år, kan du se att det delades ut för en mycket grundläggande upptäckt. Jag tror att vi nu befinner oss i ett mycket tidigt skede av den kemiska utvecklingen av nanoteknik, som är mycket långt ifrån de maskiner som beskrivs i det berömda scenariot "grå goo".
Faktum är att själva tanken att maskiner kan gå ur kontroll och göra uppror är ren science fiction som inte har något att göra med vetenskap. Jag tror att det kommer att förbli inom ramen för fiktion under lång tid framöver. Det vi jobbar med och idag liknar inte alls vad som behövs för ett sådant scenario av "dommedagen".
Maskinerna som Feringa och kollegor har skapat är mycket schematiska och inte alls de "nano-terminatorer" som science fiction-författare använder för att skrämma oss. Vi har fortfarande minst decennier, om inte århundraden, innan ett sådant scenario blir föremål för seriös diskussion.
På vilka områden av nanoteknik förväntar du dig de viktigaste genombrotten inom en snar framtid?
- Våra nanosfäriska nukleinsyror kommer att användas och används redan för en mängd olika ändamål och inom ett brett utbud av vetenskap, medicin och industri. De används redan för diagnostik inom medicin - till exempel har vi skapat nanopartiklar med guldkärnor täckta med en DNA "päls", som används som taggar för en extremt exakt sökning efter specifika segment av DNA, proteiner och andra biomolekyler associerade med sjukdomar och olika bio - "mål".
Sådana partiklar kan användas för snabb analys av saliv-, blod- eller urinprover och söka efter olika virus, bakterier eller till och med genetiskt bestämda sjukdomar i dem. Allt detta, betonar jag, används redan i praktiken.
I framtiden väntar mer på oss - vi skapar ihåliga DNA-nanopartiklar fyllda med ett läkemedel eller något annat ämne som kan komma in i celler, vilket vanliga DNA- och RNA-molekyler inte kan. Sådana nanopartiklar kan till exempel tillsättas hudkräm och användas för att behandla över 200 hudsjukdomar associerade med DNA-nedbrytningar. På samma sätt kan vi bekämpa kolit, sjukdomar i ögonen, urinblåsan eller lungorna. Eran med genetisk medicin kommer.
Det är värt att förstå här att tre saker behövs för att lyckas inom detta område. Först måste du kunna skapa RNA- och DNA-molekyler, och vi har gjort den här uppgiften bra i 30 år. För det andra måste du förstå varför mutationer i vissa gener orsakar sjukdom. Detta problem löstes i början av 2000-talet, när avkodningen av det mänskliga genomet slutfördes.
Men det tredje saknades tills nyligen - förmågan att införa DNA och RNA i de vävnader och organ där de skulle gå. Och det visade sig att nanopartiklar är det mest bekväma och pålitliga sättet att lösa detta problem. Våra sfäriska nukleinsyror kunde tränga igenom celler så lätt som inget annat retrovirus kunde.
Nu har vi möjlighet att peka DNA i de organ som intresserar oss, och inte bara i levern, som tidigare, och detta öppnade för oss tidigare otänkbara utsikter för genterapi. Vi behöver inte ens selektiviteten i läkemedlets verkan, eftersom vi direkt kan injicera DNA där vi behöver det, snarare än att gå igenom hela kroppen.
En av dina mest kända upptäckter är skapandet av kristaller från DNA. Har du hittat någon industriell applikation för sådana strukturer, eller är detta en grundläggande upptäckt?
- Kristaller från DNA är en av de mest intressanta sakerna vi har kunnat skapa. Om det fanns ett "Nobelpris" för nanoteknik, skulle metodiken för deras produktion enligt min mening vara det mest värdigt.
Vi blev intresserade av dessa kristaller redan 1996 av skäl långt ifrån medicin och biologi. Vi testade ett koncept som var nytt vid den tiden och uppgav att nanopartiklar kan betraktas som ett slags konstgjorda atomer, och DNA fungerade i detta fall som en typ av programmerbara "subatomära" partiklar, på grundval av vilka nanopartiklar, "atomer", vars kemiska egenskaper bestämdes skulle vara DNA-molekyler på deras yta.
Flexibiliteten hos egenskaperna hos sådana nanopartiklar gjorde det möjligt för oss att bokstavligen designa kristaller med en given struktur och montera dem atomatom med subnanometerprecision, inklusive att skapa sådana kristallgaller, vars analoger inte finns i naturen. Under åren har vi skapat 500 olika versioner av dessa galler, varav sex är helt konstgjorda. Detta banar väg för total kontroll över materialegenskaper och en oändlig mängd konstgjorda kristallina material.
Med tanke på deras praktiska tillämpning rör vi oss fortfarande bara i den här riktningen. De första katalysatorerna och optiska anordningarna baserade på dessa kristaller kommer enligt min mening att dyka upp om cirka 10 år. Det är viktigt att och som med modern elektronik, vars skapelse var omöjlig utan förmågan att tillverka kiselkristaller, skapar DNA-kristaller vägen för en ny klass av tekniker.
När du pratade om att skapa nanosfärer från DNA-molekyler sa du att de kan användas för en mängd olika syften, bland annat för att släta ut rynkor. Var kosmetikföretag intresserade av denna utveckling?
- Ja, många företag har redan visat intresse för denna tillämpning av sfäriska DNA-molekyler. Ur kosmetologins synvinkel är nanopartiklarnas potential nästan obegränsad - med deras hjälp kan vi göra huden mer elastisk, ta bort mörka fläckar, rensa celler från pigmentmolekyler och få huden att sluta producera dem och också lösa många andra problem.
Men det finns ett stort problem här - det är inte klart hur säkerheten för sådana produkter kommer att bedömas och regleras av de behöriga myndigheterna, eftersom de samtidigt kan lösa både farmaceutiska och kosmetiska problem. Vem som kommer att ansvara för deras verifiering och hur det kommer att göras är ännu inte klart.
Dessutom är utvecklingen av kosmetika baserad på nanopartiklar från DNA en sekundär uppgift jämfört med skapandet av vacciner mot cancer och genetiska sjukdomar, som hundratusentals och miljoner människor väntar på att bota.
Under de senaste åren har forskare skrivit hundratals, kanske tusentals artiklar som ägnas åt nästa "framtidens material" - till exempel plasmoner eller DNA-origami. Med tiden minskade spänningen, men vi har ännu inte sett några synliga resultat. Varför händer det?
- I själva verket skulle jag inte säga att all denna teknik har avdunstat eller försvunnit - forskning fortsätter, åtminstone inom plasmonics, publikationer dyker upp från tid till annan om origami, även om det inte verkar finnas några tekniska utsikter här. På kort sikt verkar båda dessa material endast vara föremål för grundforskning.
Det är värt att komma ihåg historien om uppfinningen av lasern här. När fysiker skapade de första lasrarna sa någon att "detta är en intressant upptäckt som fortfarande väntar på dess praktiska tillämpning." Idag finns lasrar överallt - lasrar finns i varje stormarknad, de används för att sy och skära vävnad under operationer och finns i alla datorer och kommunikationssystem.
Med andra ord, ofta efter en grundläggande upptäckt, inte ens veckor eller månader, men årtionden går innan den finner sin praktiska och kommersiella tillämpning.
