Главный инструмент нанотехнолога – его мозг. Получая новую информацию, мы анализируем, систематизируем и осмысливаем ее, и лишь потом ставим вопросы, ищем доказательства, формулируем законы, выдвигаем гипотезы и теории. Поэтому огромную роль в познании природы играют инструменты получения информации о ней, первыми среди которых были наши удивительные органы чувств: глаза, уши, нос – сами по себе сложные устройства, достойные восхищения инженера. А ведь знания о природе не самоцель, а тоже своего рода инструменты, с помощью которых человек решает различные задачи: от постройки дома до полета на Луну. Но научных знаний тоже недостаточно. Чтобы воспользоваться ими, надо создать соответствующую технику, для чего опять-таки необходимы инструменты; сначала ими была просто пара лохматых рук.
Познание природы и развитие инструментов глубоко взаимосвязаны. Чем совершеннее инструменты, тем более точную информацию мы можем получать, тем достовернее наши знания о природе. Так, например, до открытия телескопа человеку были недоступны сведения ни о форме, ни о структуре нашей Галактики. А до изобретения сканирующих микроскопов никто и не подозревал о существовании уникальных углеродных соединений – фуллеренов и нанотрубок. С другой стороны, более совершенное мышление позволяет изобретать более точные инструменты и приборы, порой на порядки превосходящие возможности существующей технологии. Так, многие изобретения величайшего гения Леонардо да Винчи (типа цепного привода или шарикоподшипника) были теоретически вполне работоспособны, однако же не использовались в XVI веке. Для их реализации была необходима высокоточная обработка деталей, которая хоть и не представляет сложности сегодня, но была совершенно нереальна для той эпохи. Проникнув в невидимый мир атомов и молекул, мы еще острее нуждаемся в развитии инструментов, способных не только обеспечить получение новой информации, но и привести к потрясающему прогрессу во многих областях.
Как бы человек ни гордился своей изобретательностью, все же следует признать, что в основе многих его достижений лежат принципы, так или иначе «подсмотренные» у природы. В частности, речь идет о самом популярном инструменте ученых – микроскопе.
Микроскоп (от греч. “micros”–малый, и “scopeo”–смотреть) – оптический прибор для получения увеличенных изображений объектов, не видимых невооруженным глазом, оказал по истине революционное действие на развитие многих наук, и в особенности, биологии. Увеличение изображения происходит за счет преломления света, проходящего сквозь стеклянную линзу, способную в зависимости от своей формы фокусировать или рассеивать световой пучок. Самым простым прибором, демонстрирующим это явление, является обыкновенная лупа – плосковыпуклая линза. Один из первых микроскопов сконструирован в 1609-1610 гг. Галилеем. Он состоит из двух систем линз - окулярa и объективa. Объектив, расположенный близко к образцу, создает первое увеличенное изображение объекта, которое еще раз увеличивается окуляром, который помещают ближе к глазу наблюдателя.
С XVIII столетия развитие микроскопии шло главным образом по пути улучшения конструкции механических частей. Совершенствование шлифовки и подгонки линз привело к тому, что микроскопы начала XIX в. давали увеличение до 1000 раз. Изучение доселе недоступных деталей строения животных, растений и грибов показало, что в основе всего живого лежит универсальное крошечное образование – клетка.
Для изучения нанообъектов разрешения оптических микроскопов (даже использующих ультрафиолет) явно недостаточно. В связи с этим в 1930-х гг. возникла идея использовать вместо света электроны, длина волны которых, как мы знаем из квантовой физики, в сотни раз меньше, чем у фотонов.
Весами, на которых можно взвешивать тела с массой в несколько милли и микрограмм, давно уже никого не удивишь – они используются в любом школьном кабинете физики. Но нельзя непосредственно взвесить как очень большой, так и очень маленький объекты, поскольку для них не существует эталонных мер.В основе работы нановесов лежит эффект, хорошо известный из школьной физики: собственная частота колебаний пружины зависит от массы груза и ее жесткости.
В последнее время бурное развитие электронной, атомно-силовой и туннельной микроскопии, равно как и развитие информационных технологий, привело к тому, что сегодня наблюдения за поведением отдельных атомов стали доступны широкому кругу исследователей.
В наномире действуют иные величины: миллиардные доли метра и миллиардные доли секунды. Если б мы были нанометровыми человечками, то вращение сверла бормашины в зубном кабинете казалось бы нам таким же медленным, как обычному человеку – вращение Земли вокруг Солнца. А ведь Земля вращается не так уж и медленно – 30 км/с! А за то время, пока обычный человек успел бы моргнуть своим «громадным» глазом, мы бы успели основать и построить наноскопический Санкт-Петербург, такой же, как тот, на сооружение которого у обычных людей ушло около 300 лет!
Таким образом, нанометровые инструменты и манипуляторы, в отличие от современных макроскопических, могли бы быть очень быстрыми. Если движение большой и тяжелой «руки» макроскопического робота-сборщика занимает секунды и тратит киловатты энергии, то наноробот способен перебирать своими «ручонками» за миллиардные доли секунды, затрачивая всего лишь миллиардные доли ватт. Кроме того, промышленная установка весом всего 1 грамм, как показывают расчеты, может иметь более 1017 наноманипуляторов. С помощью такой установки те же батареечки, которые при макроскопическом подходе нереально собрать из атомов, можно будет штамповать десятками тысяч штук в секунду!
4. Наномедицина
С развитием биотехнологии тесно связано качественно новое направление медицинской науки – молекулярная наномедицина. С ней связывают такие уникальные вещи, как:
· Лаборатории на чипе;
· Адресная доставка лекарств к пораженным клеткам;
· Новые бактерицидные и противовирусные средства;
· Диагностика заболеваний с помощью квантовых точек;
· Нанороботы для ремонта поврежденных клеток;
· Нейроэлектронные интерфейсы и многое другое.
В настоящее время подобные проекты – уже не только плод воображения писателей-фантастов, но и реальные средства современной медицины.
Было бы здорово, если бы врачи или даже сами пациенты могли мгновенно проводить сложнейшие анализы и получать результаты в течение нескольких минут! Представьте себе, какой потрясающе компактной и эффективной могла бы быть лаборатория, если б все ее пространство (включая инструменты, столы, проходы, клавиатуры, мониторы, и т. д.) можно было бы «сжать» до размеров обыкновенного микрочипа, а все производимые в ней человеческие действия по доставке, перемещению и анализу образца полностью автоматизировать!
А теперь представьте, что такие лаборатории уже существуют! Называются они лабораториями на чипе. Один чип размером порядка 4х4 см может заменить целый комплекс оборудования, необходимого для анализа ДНК/РНК, установления родства, определения генетически модифицированных организмов, ранней диагностики онкологических заболеваний, изучения эффективности трансфекции клеток, количественного определения белков, определения уровня экспрессии генов и многого другого! При этом такая кроха-лаборатория умеет анализировать одновременно до 12 разных образцов, а время анализа, занимавшего раньше недели, сокращается до 15-30 минут.
Серебряные наночастицы – не единственные наноматериалы, пригодные для борьбы с бактериями. Недавно ученые из Питсбургского университета создали нанокатализатор, который производит углеродные нанотрубки одинакового размера и заставляет их собираться в структуру, напоминающую ковер. При добавлении к «ковру» различных биологических агентов он меняет свой цвет – от красного до желтого.
Самым удивительным оказалось то, что этим «наноковром» можно убивать различные микроорганизмы! В эксперименте на бактериях отдельные нанотрубки «ковра» проткнули их клеточные мембраны, чем вызвали гибель микроорганизмов. «Наноковер» может быть использован в качестве биологического детектора либо бактерицидной поверхности в фильтрах для очистки воды, воздуха и т. д.
Чтобы лекарство было эффективным важно, чтобы его молекулы попали к нужным клеткам: антидепрессанты попали в мозг, противовоспалительные средства – в места воспалений, антираковые препараты – в опухоль и т. д. Способность молекул вещества попадать в теле пациента туда, где они необходимы, называется биологической усвояемостью.
Биологическая усвояемость – камень преткновения всей современной фармацевтики. Более 65% денег, потраченных на разработку новых лекарств, выбрасывается на ветер из-за их плохой усвояемости. Один из способов улучшить ее – просто увеличить дозу лекарства. Однако многие лекарства токсичны, и увеличенная доза может вызвать у пациента тяжелые последствия (а порой даже убить). Это особенно важно для противораковых препаратов, которые убивают не только больные, но и здоровые клетки.
Поэтому сегодня учеными всего мира ведутся активные работы по адресной доставке лекарств, которые будут точно попадать в цель, не повреждая других органов. Для этого пытаются создать некое «транспортное средство» для точной доставки лекарств в клетку, так как многие болезни (не только рак) зависят от нарушения внутриклеточных механизмов, повлиять на которые можно только доставив лекарство в клетку.
Поиск молекулярного транспорта начался в восьмидесятые годы, когда исследователи стали активно заниматься генной инженерией. В частности, группе российских ученых под руководством Александра Соболева удалось разработать специальную макромолекулу-транспортер, способную доставить лекарство в дефектную клетку.
Опыты, которые ставила группа Соболева на раковых клетках, показали, что эффективность лекарственного вещества, которое доставляется макромолекулой-транспортером в ядро, при различных типах рака может возрастать в 250-1000 раз, а это значит, что во столько же раз можно снизить дозу препарата, чтобы вызвать нужный эффект.