nano_book[1]

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Приручение бактериофага

Ранее мы уже рассказывали, каким образом вирус проника ет в клетку. С помощью электронной микроскопии удалось по лучить ряд изображений этого процесса, по которым впослед ствии был смонтирован видеофильм, объясняющий механизм инфицирования клетки вирусом.

Главный герой фильма – уже знакомый нам вирус Т4 – состоит из икосаэдральной головки, содержащей вирусную ДНК, ствола, основания ствола и стволовых отростков – «но» (шести длинных и шести коротких). Сперва длинные отростки находят жертву, в роли которой выступает клетка E. coli, а за тем короткие прочно прикрепляются к ней. Основание при этом передает импульс в ствол, который сокращается, как мус кул, выдавливая из себя вирусную ДНК в клетку хозяина. E. coli, таким образом, инфицируется, биохимическая машина клетки продуцирует новые фаговые частицы и, в конце концов, клетка гибнет.

“Для начала наше исследование показывает структуру бел ков, входящих в состав основания вблизи ствола (так называе мого биохимического прокалывающего устройства), и их роль в проникновении вирусной ДНК через мембрану клетки, – гово рит Россман. – Мы показали, что это сложная биохимическая машина, позволяющая вирусу эффективно внедряться в клет ку хозяина”.

На базе этих знаний можно прогнозировать появление вы сокоэффективных лекарственных препаратов. “У вирусов та лант в доставке своей ДНК внутрь клеток. Поэтому мы можем использовать некоторые из видов вирусов для доставки здоро вой ДНК внутрь раковых клеток”, – говорит исследователь Лейман. На основе вирусов ученые предполагают создать уст ройство для генной терапии, которое будет лечить отдельные клетки.

Нанотехнологии и бессмертие

Отыскать эликсир бессмертия человечество мечтало всегда. В Средние века этой идеей были одержимы алхимики, а в нас тоящее время она лежит в основе нового философского тече ния, получившего название трансгуманизм, или иммортализм. Все более популярное сегодня, трансгуманистическое мирово

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ззрение утверждает, что человеческий вид является не заверша ющим звеном эволюции, а скорее ее началом. Трансгуманисты убеждены, что недалек тот день, когда с развитием науки и тех ники люди смогут радикально усилить свои интеллектуальные

ифизические возможности, перестанут умирать от старости и болезней и избавят весь мир от несчастий и страданий.

“Природа сыграла с человеком злую шутку, наделив его ра зумом, но лишив бессмертия, – говорят имморталисты.– Если Бог существует, то он вечен. Животные хоть и смертны, но не страдают от этого. В их голове нет представления о собственной смерти. И лишь человек – единственное животное, которое знает, что в конце концов обязательно умрет”.

Для животных не существует прошлого и будущего в том смысле, какой вкладывают в это понятие люди. Для них суще ствует только настоящее, и потому не существует собственной смерти – собственную смерть невозможно воспринимать из настоящего, ибо пока есть настоящее, мы еще живы. Собствен ную смерть можно увидеть только из прошлого как нечто буду щее. Животные не способны на это, и поэтому, даже умирая для всех, они не умирают сами для себя – для них умирает лишь их настоящее.

Человек способен жить одновременно в прошлом, настоя щем и будущем (прошлое – его память, будущее – его мечты),

ипотому его жизнь, пусть даже самая счастливая, глубоко тра гична, ибо животные не умирают никогда, человек же умирает всю свою жизнь. Широко распространенное мнение о том, что сознание быстротечности жизни придает какую то особую ост роту и ценность каждому ее моменту – не более чем самообман. Человек не способен почувствовать всю остроту и ценность настоящего момента так, как это чувствуют животные, потому что настоящее в его сознании сильно потеснено воспоминани ями о прошлом и мечтами о будущем. Настоящее превратилось для человека всего лишь в тонкую грань между прошлым и бу дущим, не имеющую самостоятельного значения, всего лишь в строительный материал для построения будущего или рестав рации прошлого.

Каждый из нас в возрасте нескольких лет от роду пережил глубокое – возможно глубочайшее в жизни – потрясение от осознания неизбежности конца. Воспоминание о нем, как о

334

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

всяком травмирующем переживании, глубоко запрятано в под сознании. Мы не помним этого шока и со снисходительным умилением смотрим на маленьких детей, которые плачут от страха смерти, столь еще далекой от них. Да, мы не помним этого потрясения, но шрам от него остался в душе каждого из нас, и на протяжении тысячелетий человеческое подсознание твердит нам «memento mori» («помни о смерти» – лат.). И чело век помнит о смерти, боится ее, страдает при одной только мысли о том, что рано или поздно он должен умереть, и посвя щает всю свою жизнь борьбе по преодолению этого страха.

Где то очень глубоко в нашем подсознании горит и обжига ет душу безумное, неосуществимое, а потому запретное жела ние – быть бессмертным. Почему люди всегда приписывали своим богам бессмертие? Потому что сами мечтали быть бес смертными. Люди верили в загробную жизнь потому, что хоте ли в нее верить, ведь если нельзя быть бессмертным, то можно, по крайней мере, найти какой то заместитель, суррогат бес смертия. Вот почему религия, какую бы извращенную форму она не принимала, не исчезнет с лица Земли, покуда живо об щество, бессмертное по своей сути, но состоящее из множества смертных индивидуумов.

На наш взгляд, мышление трансгуманистов хоть внешне и отличается от религиозного, по сути имеет с ним много общего. Просто веру в Бога трансгуманисты заменили верой в техничес кий прогресс, а в качестве пророков избрали себе авторитетных ученых. И если религия обещает своим приверженцам вечную жизнь в раю, то имморталисты подходят к решению этой проб лемы «технически», предлагая обеспечить человека индивиду альным бессмертием и, таким образом, избавить его от вышео писанных страданий. Расшифровав генетический код жизни, ученые вплотную подбираются к возможности целенаправлен но и активно замахнуться на процессы биологической эволю ции. Разум и амбиции человека, по чьему то меткому выраже нию, не позволяют ему простить, что “за какой то недоеден ный огрызок яблока его лишили бессмертия”.

Современный трансгуманизм владеет большим арсеналом различных подходов к достижению бессмертия. Некоторые из них довольно любопытны с точки зрения нанотехнологии, по этому с ними мы познакомимся поближе. Следует, однако, сра

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

зу же оговориться, что в настоящее время ни один их этих под ходов “не Но ведь и самолет тоже казался когда то лишь вы думкой фантазеров мечтателей.

Проект первый наномедицина по Фрайтасу

Идеи многих великих открытий часто возникают внезапно, рождаясь там, где их никто не ожидал. Так, упавшее с дерева яб локо навело Ньютона на мысль о законе всемирного тяготения, а приснившаяся таблица позволила Менделееву внести свой неповторимый вклад в развитие химии. Также неожиданно обычный треп на форуме сайта Института Предвидения (Foresight Institute) навел Роберта Фрайтаса – автора первой книги о медицинском применении нанотехнологий «Nanomedicine» – на мысль о создании специальных медици нских нанороботов.

Но обо всем по порядку. 14 июня 1996 года Крис Феникс – автор идеи конвергентной нанофабрики, оставил на форуме со общение: “А что если заменить кровь человека 500 триллиона ми роботов?”. Этот “безумный” на первый взгляд вопрос при вел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом, результатом которого явился 100 страничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая кровь), издан ный в 2002 году.

“Roboblood” представляет собой детально рассчитанный проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом теле, выполняя самые раз нообразные функции крови, включая циркуляцию дыхатель ных газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонен тов, процесс деления цитоплазмы. Впрочем, для своего нано робота ученые придумали другой термин – васкулоид (от лат. vas

– сосуд и греч. oidos – подобный).

“Робокровь”, включающая около 500 триллионов микрос копических нанороботов общим весом примерно 2 кг, потреб ляет 30 200 Ватт энергии в зависимости от рода человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосу дов и может служить полной заменой естественной кровенос ной системе. Проще говоря, нанороботы образуют кровенос ную систему и функционируют в ней.

336

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Рис 203. Нанороботы в кровеносной системе

Подразумевается, что они будут сделаны из алмазоида или другого биосовместимого материала, а биологическое питание будут получать из глюкозы и кислорода.

Какие же преимущества дает такая роботизированная кровь обычному человеку? Возможностей, оказывается, мно жество: это и борьба с болезнетворными микробами, и регуляр ная “чистка” и укрепление сосудов, предотвращающая болезни типа атеросклероза, варикозного расширения вен и т. д., и ав томатическое лечение поврежденных клеток, и даже замена больных генов здоровыми.

Наша кровь – это уникальная система обеспечения жизне деятельности клеток и тканей, состоящая из множества различ ных клеток, выполняющих строго определенные функции. Р. Фрайтас разработал несколько проектов медицинских наноро ботов различного назначения.

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Среди них особенно интересны, например, респироциты – искусственные аналоги эритроцитов (красных кровяных телец, отвечающих за доставку кислорода к клеткам). Функциональ ность респироцитов во много раз превосходит природные эрит роциты. Они смогут накапливать в несколько раз больше кис лорода при значительно меньших размерах и энергопотребле нии. Благодаря респироцитам человек сможет часами обхо диться без воздуха (например, плавать под водой) абсолютно без ущерба для здоровья. Кроме возможности переносить боль ше кислорода, для респироцитов характерны также возмож ность перепрограммирования, долговечность и высокое быст родействие.

Каждому из нас знакомы такие досадные неприятности, как ссадины, порезы, раны, а то и разбитый нос. Подобные травмы часто сопровождаются обильным кровотечением, однако по мудрости природы наш организм надежно защищен от смерто носной потери крови благодаря присутствию в ней особых кле ток – тромбоцитов, участвующих в свертывании крови (тромбо генезе). Стоит нам случайно порезать палец или ободрать ко ленку, тромбоциты мгновенно бросаются на помощь к повреж денному сосуду и забивают собой образовавшуюся в нем «брешь», предотвращая, таким образом, дальнейшую потерю крови. Предложенные Фрайтасом искусственные аналоги тром боцитов – так называемые клоттоциты – достигают прекраще ния кровотечения (даже довольно обширного) за 1 секунду, в то время как для обычного тромбогенеза требуется от 5 до 17 минут. При этом концентрация искусственных тромбоцитов может быть меньше натуральных в 100 раз, то есть клоттоциты Фрайта са в 10 000 раз эффективней своего природного аналога!

Каждый школьник знает, что необработанная ссадина опас на не столько потерей крови, сколько риском получить зараже ние. Однако в кровь то и дело попадает небольшое количество болезнетворных микробов через раны на коже, деснах, языке, во время хирургических операций, лечения зубов и даже при вы давливании прыща на носу. Эти чужеродные бактерии обычно уничтожаются в организме особыми клетками крови – лейко цитами (белыми кровяными тельцами), способными к фагоци* тозу (захвату и перевариванию чужеродных бактерий), продук ции иммуноглобулинов (формированию иммунитета к данной

338

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

инфекции). Однако некоторое количество бактерий все же мо жет обойти естественную защиту, и тогда человек заболевает.

В связи с этим комплекс нанороботов, способных быстро очищать кровь человека от патогенов при сравнительно не большой концентрации, был бы весьма желательным помощ ником для человеческой иммунной системы. Таких наноробо тов Фрайтас назвал микрофагоцитами, или искусственными иммунными клетками.

Как работает микрофагоцит? В течение каждого цикла опе раций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прили пает к поверхности наноробота, как муха к липкой ленте, бла годаря специальным “присоединительным гнездам”. Далее те лескопические наноманипуляторы хваталки выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита и транспор тируют бактерию к “умертвительному” резервуару, находяще муся внутри робота. После интенсивного механического пере малывания бактерии ее органические остатки выдавливаются специальным поршнем в “дигестальный” (от англ. digest пере варивать) резервуар, где они перевариваются с помощью комп лекса ферментов. Полученные в результате остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека, которые просто выбрасы ваются в кровеносную систему. Весь цикл операций занимает не более 30 секунд.

Этот алгоритм, названный автором “перевари и выброси”, практически идентичен процессам переваривания и фагоцито за, которые используют натуральные фагоциты. Однако искус ственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище – продукты искусственных микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ, в отличие от биологически ак тивных, выбрасываемых в кровь натуральными макрофагами после переработки патогенных микробов. Кроме того, искус ственные фагоциты будут в 100 1000 раз меньше по объему.

Каким образом нанороботы будут взаимодействовать меж ду собой? Так же, как “общаются” друг с другом триллионы клеток в человеческом теле: посредством сложных молекул, на ходящихся на их внешних мембранах. Эти молекулы действуют как химические “сигнальные флаги” для того, чтобы обратить

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ся к другим клеткам, или как химические “ворота”, которые управляют входом в клетку из кровотока некоторых молекул (например, гормонов).

Как устроены медицинские нанороботы?

Р. Фрайтас и К. Феникс предложили детально разработан ные чертежи разных нанороботов. Но талантливые конструкто ры нанороботов есть и у нас. Мы остановимся на описании уст ройства основных систем медицинского наноробота, предло женного главным аналитиком компании Nanotechnology News Network Юрием Свидиненко. Но сначала ответим на вопрос: что должен “уметь” наноробот и какие подсистемы ему для это го понадобятся?

Во первых, он должен перемещаться по кровеносной сис теме человека, то есть обладать мощной двигательной системой.

Во вторых, устройству необходимо иметь несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, нави гации и коммуникации.

В третьих, нанороботу нужна транспортная система, достав ляющая вещества от хранилищ к наноманипуляторам и обратно.

В четвертых, для работы с пораженными структурами уст ройство должно быть оборудовано набором различных телес* копических наноманипуляторов.

В пятых, необходимы приемопередающие устройства, поз воляющие нанороботам связываться друг с другом.

В шестых, не обойтись без генераторов и источников энергии. И, наконец, для удержания крупных объектов необходимы

телескопические захваты.

На основании выдвинутых требований Юрий построил мо дель медицинского наноробота общего применения. В идеаль ном случае это устройство будет способно “ремонтировать” поврежденные клетки; производить диагностику и лечение ра ковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды; производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой; уничтожать бактерии, вирусы, и т. п. На рисунках представлен предполагаемый вид такого наноробота, выполненного из ал мазоида.

Электромагнитные волны, которые смогут распростра няться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравни

340

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Рис 204. Медицинский наноробот общего применения

Рис 205. Основные блоки медицинского наноробота

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

мы с нанороботом. Поэтому его антенны будут иметь вид дипо лей, выступающих за пределы корпуса.

Наноманипуляторы, механические захваты и жгутики должны быть телескопическими и при необходимости должны убираться в корпус робота, чтобы он мог лучше передвигаться в кровеносном русле.

Чтобы естественная иммунная система не “нападала” на робота, он должен быть сделан из биоинертного материала, например, алмазоида. Ряд экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую актив ность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэто му можно надеяться, что такое покрытие будет иметь очень низкую биоактивность и внешняя оболочка роботов будет хи мически инертна.

Рис 206. Двигательная подсистема и подсистема заякоривания

Для предложенного наноробота можно будет использовать нанокомпьютер, производящий 106 109 операций в секунду. Это на 4 7 порядков меньше вычислительной мощности человечес кого мозга, составляющей ~1013 операций в секунду. Так что

342