Клуб выпускников МГУ: Роботы под микроскопом

Роботы наступают, но они очень маленькие. В этой фразе нет утешительного слова «ещё» - поскольку в будущем они станут ещё меньше. И ещё популярнее. Греческая приставка «нано» из физических словарей, где она обозначает просто одну миллиардную, постепенно переселяется в речь политиков и газетные заголовки. А там приобретает оттенок уверенности: нанометр - это совсем мало, но устройства таких размеров сумеют многое. Например, изменят до неузнаваемости и компьютеры, и лекарства, и автомобили.

Больше всего оговорок требует слово «робот» - сами ученые вне контекста явной рекламы и пресс-релизов стараются его избегать. Скомпрометированное не слишком научной фантастикой, для разработчиков оно означает скорее не механических гуманоидов, но аппарат-функцию, способный справляться с конкретной задачей. С человеком или животным его объединяет разве что способность делать выбор в сложных ситуациях, а сделав его, более или менее эффективно достигать цели. В случае электронных устройств это не смущает никого: понятно, например, что электрический пес Aibo - демонстрационная игрушка, заметно уступающая в интеллекте неантропоморфным роботу-саперу и роботу-пылесосу.

Микроскопический аналог Aibo - «бродячее» существо на ногах-электродах - сконструировали чуть больше года назад в Дартмутском колледже. Сенсации не случилось: точно так же, как огромные человекоподобные роботы не привлекают военных, мини-гомункулусы интересуют ученых в последнюю очередь. Умные наномашины, утверждают они, будут совсем другими. Сразу стоит сказать, почему именно «нано». Один нанометр - диаметр не лишком большой органической молекулы. Впрочем, эта единица измерения привычнее не для химиков-органиков, а для биохимиков и биофизиков. Последние лучше прочих осведомлены, что самые сложные процессы внутри шкроорганизмов разыгрываются на сцене именно таких размеров. И, следовательно, подсмотрев поведение живого, неживое можно научить тем же приемам.

СВЕЖАЯ ПРОТОПЛАЗМА
Размножение вирусов и синтез биомолекул - убедительные примеры «самовоспроизводящейся машины» кибернетиков. Это понятие ввел Джон фон Нейман - математик и физик, автор архитектуры современных компьютеров и один из отцов американской атомной бомбы. За несколько лет до открытия структуры Ж, позволившего толковать главные мимические механизмы, фон Нейман предложил использовать «саморепликацию» для освоения космоса: звездолеты, собирающие себе подобных из подручных материалов, могли бы заселить заметную часть Галактики. Как выяснилось совсем скоро, в науке о микромире идея самовоспроизводящихся устройств тоже востребована.

Разумеется, наномеханизмы интересны не только потому, что структурам из сотен или тысяч атомов размножаться проще, чем многотонным космическим кораблям. Во-первых, помимо собственных копий они могли бы производить все то, для чего привычные инструменты слишком крупны и слишком грубы. Например, микроскопические электронные детали или просто вещества, которые не получается синтезировать в колбе. Существенно, что подобное производство возможно и там, куда химик или инженер просто не проникнет, - в тканях живого организма или внутри космических зондов.

По сходным причинам нанороботы - идеальные сенсоры. В электронных устройствах они могли бы отслеживать микроскопические дефекты, в человеческом организме - яды и патогены. А затем специальным сигналом оповещать об этом исследователей. Впрочем, оба приема - поиски и синтез в труднодоступном месте - можно объединить. Медики надеются, что рано или поздно научатся именно таким способом обращаться с раковыми клетками - находить и сразу уничтожать свежеприготовленным веществом. Наномеханический прототип препарата уже известен - в конце 2005 года группа биохимиков из Ренселлеровского института и университета Иллинойса заявила, что синтезировала его из ДНК, фермента и углеродных нанотрубок. Нанотрубке отводится роль шприца - она пробивает клеточную мембрану и пропускает туда оставшиеся реагенты, а те расщепляют РНК клетки, лишая ее возможности производить новые белки.

Джон фон Нейман - выдающийся американский математик. Родился 28 декабря 1903 года в Будапеште. C детства обладал феноменальными способностями. В возрасте шести лет перебрасывался с отцом остротами на древнегреческом, а в восемь уже освоил основы высшей математики.

В 1926 году окончил Будапештский университет. С 1927-го преподавал в Берлинском университете. 1930-33 годы - преподаватель в университете Пристона (США), с 1933-го - профессор Принстонского института перспективных исследований. С 1937-го - член Национальной Академии наук США, с 1940 года - консультант различных военных учреждений. С 1954-го - член комиссии по атомной энергии. Умер в возрасте 54 лет от саркомы.

К сожалению, со здоровыми клетками препарат поступает почти так же - что, собственно, и мешает ему стать полноценным лекарством. Чуть лучше обстоят дела с поиском цели у «ДНК-пилюль» препаратов, упакованных в наномеханическую капсулу из нитей дезоксирибонуклеиновой кислоты. Нити расплетаются, как только капсула попадает в среду с необходимыми ферментами, - после этого препарат «распаковывается» и начинает действовать.

К слову, от «нанороботов-синтетиков» требуют примерно того же, что уже умеют делать сами ферменты - наиболее эффективные из природных катализаторов. Эти биоструктуры на основе белков отбирают из любой смеси молекулы нужных реагентов - и совмещают их таким образом, чтобы превращение прошло максимально быстро и по заранее заданной схеме. Хотя искусственные ферменты известны с 90-х годов прошлого века, они не слишком отличаются от натуральных по строению (обычно это вес те же белки с «привнесенным» реакционным центром), но сильно уступают в эффективности. Как уверяют химики, роботы способны серьезно расширить списки «ферментативных» реакций - например, так можно было бы синтезировать вещества, имеющие с биомолекулами мало общего.

Самая маленькая в мире повозка с колесами-фуллеренами, созданная в университете Райс (Нью-Йорк), способная перемещаться по поверхности кристалла за счет его собственной теплоты. В макромире это было бы нарушением второго закона термодинамики

Фуллерен - полый жесткий многогранник из 60 атомов углерода. За открытие этой молекулы Ричард Смолли получил Нобелевскую премию 1996 года

В этом месте неизбежно возникает вопрос о «курице и яйце» - если наноструктуры так сложно получить, откуда возьмется первая нанофабрика? Ответ, как ни странно, есть у биологов: робота способны вырастить микроорганизмы. Будучи и так готовыми нанофабриками, бактерии довольно легко поддаются генетическому вмешательству. Это значит, что внутри примитивной модифицированной клетки можно создавать довольно сложные молекулы. Начало «эры синтетической биологии» первыми констатировали в университете Дюка: в 2004 году именно там была получена синтетическая трио-зофосфатизомераза, «прижившаяся» внутри бактерии кишечной палочки. Фермент с трудно выговариваемым названием умеет «выворачивать наизнанку» зеркальные изомеры - то есть вещества, отличающиеся друг от друга, как отражение в зеркале от оригинала. И в клетке бактерии, и в колбе «вывернуть» удается далеко не все, но даже такая процедура может на много шагов сократить многостадийный синтез.

Важно заметить, что одной органикой синтетические способности микроорганизмов не исчерпываются.

Два года назад в илистых отложениях Потомака обнаружили бактерию Geobacter, синтезирующую из растворенных в воде солей металлическую проволоку толщиной в несколько нанометров.

Не исключено, что именно она пригодится для создания микроскопических аппаратов, не имеющих с живым ничего общего.

ГАЙКИ, ШТЫРИ И БОЛТЫ

Если биологические системы сами подсказывают рецепты будущих наномашин, то существует и альтернативный - инженерный в строгом смысле слова - подход. Первым в этом направлении продвинулся Эрик Дрекслер, в 1986 году опубликовавший культовую для нанотехнологов работу «Машины создания», а шестью годами позже - монографию «Наносистемы», признанную ассоциацией издателей лучшей «околокомпьютерной» книгой года.

Зеленые червячки - бактерии Geobacter metallireducens, способ питания котоорых включает восстановление металлов (железа, марганца) из окислов и солей

Ученый начал с «переизобретения колеса», точнее - поршней и шестеренок, которые заставляют колеса двигаться. Перенесенная в микромир, обычная схема действовала разве что в исключительных случаях. Расчеты свидетельствовали, что из-за беспорядочных колебаний атомов (а они, согласно квантовой механике, происходят всегда с ненулевой амплитудой) детали слипаются и деформируются. Однако с помощью программ-симуляторов, воспроизводящих поведение частиц в молекулах, Дрекслер все-таки нашел конструкцию из атомов водорода, углерода, кремния, азота, фосфора, кислорода и серы, способную превращать поступательное движение во вращательное. Следующим изобретением стал «неоновый насос», пробрасывающий в заданном направлении атомы инертного газа.

Правда, до сих пор ни одной химической лаборатории синтезировать что-либо похожее не удавалось - но изобретателя не смутило и это. Вместо того чтобы дожидаться прорыва в химии, Дрекслер предпочел следовать рассуждениям Ричарда Фейнмана, озвученным им еще в 1959 году. Нобелевский лауреат-физик (и, к слову, коллега фон Неймана по Манхэттенскому проекту) предсказывал фантастические перспективы устройствам, полученным в обход традиционных химических процедур, а по поводу последних высказывался так: «Химики занимаются странными вещами: они смешивают одно с другим, встряхивают все это, ходят вокруг колбы и в конце мучительного процесса получают то, что им нужно». Разумной альтернативой Фейнман считал «поатомную» сборку, и уже 22 года спустя был изобретен сканирующий туннельный микроскоп - первый прибор, позволяющий наблюдать отдельные атомы и управлять ими. В истории нанотехнологий этот момент был, возможно, главным.

Вооруженные идеями Фейнмана Дрекслера и туннельным микроскопом, нанотехнологи стали стремительно наверстывать упущенное не игнорируя, однако, и химию. Тем более что почти одновременно с выходом книг Дрекслера химический «наноконструктор» обогатился двумя важными строительными блоками: фуллеренами и нанотрубками. Полые шары и цилиндры из чистого углерода пришлись весьма кстати - во-первых, они были существенно жестче больших органических молекул (что отчасти решало вопрос со «слипанием» и «деформацией»). Во-вторых, у них были полости, которые можно было заполнить по своему усмотрению. В-третьих, будучи сложенными из правильных пяти- и шестиугольников, они обладали достаточно высокой (и потому удобной для расчетов) симметрией. В-четвертых, каждую из новых молекул было легко модифицировать, прикрепляя к углеродному скелету нужные функциональные группы.

Так или иначе, в 2005 году химики переизобрели колесо еще раз, когда сконструировали первый наноавтомобиль. Колесами, как и следовало ожидать, были фуллерены, закрепленные на жестких осях. Но самое главное - наномашина могла перемещаться по плоской поверхности кристалла, если тот всего-навсего нагреть. В этом, собственно, и состояла научная ценность результата: разработчикам наноустройств редко удается найти удобный способ подпитывать их энергией. В биологических системах ее источником служат «дополнительные» молекулы аденозинт-рифосфата (АТФ), но они пригодны только для экспериментов в растворе. «Одиночный» нанообъект можно, например, облучать светом - и нанороботы с таким источником питания известны. Однако здесь физики могли наблюдать, как в направленное движение машины превращаются беспорядочные колебания атомов в кристалле. Именно на такие превращения энергии термодинамика (точнее, ее знаменитый второй закон) налагает самые жесткие ограничения - но, конечно, при детальном разборе оказывалось, что все термодинамические принципы соблюдены.

Впрочем, самой эффектной попыткой поспорить с термодинамикой можно назвать другой опыт с участием нанороботов, задуманный 140 лет назад и осуществленный только сейчас: химики из Эдинбургского университета просто развили идею Джеймса Максвелла, которая при его жизни не поддавалась проверке. В 1867 году автор знаменитых уравнений теории поля придумал специального «демона», способного опровергнуть второй закон, не нарушая остальных. В мысленном эксперименте Максвелла демон, сидящий в сосуде с газом, открывал специальную перегородку перед быстрыми молекулами, так что в конце концов все они оказались бы в одной части сосуда, а медленные - в другой. При этом, замечал ученый, суммарная энтропия системы должна была бы понизиться.

140 лет спустя Дэвид Лей и его соавторы решили заменить инфернальное существо наномашиной. Для простоты движение частиц в трехмерном пространстве свели к одномерному, когда молекулы-кольца движутся вдоль молекул-осей. Обычно в таких системах, известных химикам как ротаксаны, «кольца» распределены на «осях» случайным образом. Лей добился того, чтобы оси «заставляли» кольца скапливаться с одной стороны под воздействием света. Как только свет выключали, «равновесие» - то есть случайное распределение колец на осях - восстанавливалось.

Как заметил сам Лей, его исследование подтверждает правоту оппонентов Максвелла - чтобы «демон» работал, ему необходимо потреблять энергию извне. Свет, которым воздействовали на систему, нарушает требование к ее изолированности, и второй закон термодинамики не нарушается. Тем не менее, по словам Лея, его в большей степени интересовал не спор со знаменитым физиком позапрошлого века, а сама возможность сконструировать наномотор, умеющий превращать «беспорядок» в «порядок» на микроуровне.

УБИТЬ ВСЕХ ЛЮДЕЙ
Как и у всякой многообещающей технологии, у нанороботов нет недостатка в недоброжелателях. Интереснее всего, что идейную платформу для нанофобии подготовил все тот же Эрик Дрекслер. В его «Машинах создания» нашлось место и убедительному сценарию разрушения: «серая слизь», как Дрекслер обозначил растущую совокупность наноустройств, уничтожит цивилизацию безо всякого злого умысла.

Дело в том, что нанороботы, способные к саморепликации, должны использовать для этого материалы извне. Поскольку популяция роботов растет в геометрической прогрессии, «сырья» будет требоваться все больше и больше. В лучшем случае, утверждал Дрекслер, они начнут конкурировать за ресурсы с человечеством, в худшем - будут воспринимать в качестве «ресурсов» самих животных или людей. Мимо такого сюжета, разумеется, не могли пройти фантасты, и отчасти благодаря им гипотетическая «серая слизь» заинтересовала даже политиков. В 2004 году принц Чарльз попросил членов Королевского общества подготовить доклад о нанотехнологических «угрозах и рисках». В докладе опасения принца, впрочем, последовательно опровергались, а сам Эрик Дрекслер впоследствии заявлял в интервью, что автором «серой слизи» быть вовсе не рад.

Коль скоро места среди потенциально опасных технологий нанороботам не нашлось, эксперименты продолжаются. В списках уже значатся наноножницы для сосудов, лифты для бактерий, мельницы в одну десятитысячную миллиметра и другие. Не исключено, что через несколько десятилетий перечень окажется длиннее прейскуранта на гаджеты в самом прогрессивном компьютерном магазине. Но, возможно, в том же прейскуранте очередной Aibo и нанороботы будут просто соседствовать. В конце концов, робот тоже друг человека. Даже если он очень маленький.