Глава 4. Нанотехнологии в помощь

Глава 4. Нанотехнологии в помощь

Теоретически нанотехнологии способны обеспечить человеку физическое бессмертие за счет того, что наномедицина сможет бесконечно регенерировать отмирающие клетки. По прогнозам журнала Scientific American, уже в ближайшем будущем появятся медицинские устройства размером с почтовую марку. Их достаточно будет наложить на рану. Это устройство самостоятельно проведет анализ крови, определит, какие медикаменты необходимо использовать, и впрыснет их в кровь.

В наиболее общей постановке проблема применения нанотехнологий в медицине заключается в необходимости изменять структуру клетки на молекулярном уровне, т. е. осуществлять «молекулярную хирургию». Она может состоять из таких операций, как узнавание определенных фрагментов молекул и клеток, разрыв или соединение частей молекул, добавление или удаление молекулярных фрагментов, полная разборка и сборка молекул и клеточных структур по определенной программе. Хотя подобные операции и осуществляются обычными, естественными молекулами белка, но набор их функций недостаточен для обеспечения бессмертия клетки и всего организма. Задача, таким образом, состоит в придании клетке этих недостающих функций, в «разумном» управлении ее работой.

Устройства для молекулярной хирургии обычно называют молекулярными роботами (MP). MP могут изготовляться на основе биологических макромолекул (в основном белков). Такой подход называют молекулярной нанотехнологией. В этом случае принципы их работы известны, они аналогичны принципами работы белковых молекул. Это – изменения молекулярной структуры, результатом которых является изменение химических связей в молекуле (что является основой каталитической активности белков).

Это может выглядеть примерно так: синтезируется ген, кодирующий структуру MP; этот ген внедряется в бактерии, которые размножаются и синтезируют MP в необходимом количестве; далее (при необходимости) они модифицируются химическим способом. Проблема здесь состоит в проектировании MP. Основный элемент такого проектирования – моделирование молекул. Хотя его алгоритмы известны, но большой размер молекул делает расчеты очень трудоемкими. Сейчас подобные расчеты возможны только для анализа небольших модификаций в существующих молекулах. С учетом необходимости разработки конкретных типов MP и проведения дополнительных биологических исследований можно ожидать, что описанные ниже возможности будут доступны во второй четверти XXI века.

Другой подход к созданию молекулярных роботов заключается в изготовлении их из кристаллических материалов на основе углерода, кремния или металлов. Его реализация связана с прогрессом в уменьшении существующих твердотельных технологий (травление, напыление, выращивание кристаллов). Принципы их работы будут состоять в механическом воздействии на клеточные структуры или в создании локальных электромагнитных полей для детекции и инициирования химических изменений в биологических молекулах. Прогнозы здесь делать труднее, так как ключевые технологические процессы, необходимые для достижения наноразмеров, еще находятся на ранних этапах разработки.

Для медицинских применений перспективным может оказаться и гибридная технология для изготовления молекулярных роботов. Например, детекторы и манипуляторы изготовляются из органических молекул, а управляющее устройство может быть твердотельным, на основе кремния.

Важной проблемой во внедрении молекулярных роботов является их взаимодействие с управляющим суперкомпьютером. Здесь перспективным представляется использование магнитного поля, поскольку биологические ткани прозрачны для него. Магнитное поле может изменять структуру робота, заряжая его энергией и сообщая информацию, а для сообщения информации управляющему компьютеру молекулярный робот может сам изменять свою структуру, что будет зарегистрировано датчиками, расположенными вне тела человека. Аналогом такого подхода является томография на основе ядерного магнитного резонанса – метод, который сейчас широко используется для получения трехмерных изображений внутренних органов в реальном времени.

Впрочем, пока все это – дело довольно отдаленного будущего.