Имя им легион: нобелевский лауреат рассказал, уничтожат ли нанороботы Землю
Ученые давно создают и тестируют в лабораториях различные наномашины. По сути, это молекулярные конструкции, задача которых — выполнять какие-либо полезные функции: например, доставлять лекарства к больному органу, идентифицировать патоген или чинить что-то. Когда появятся первые "полезные" нанороботы, помогут ли они колонизовать Марс и другие планеты?
На эти вопросы отвечает Бен Феринга, профессор университета Гронингена в Нидерландах. В 2016 году он вместе с французом Жан-Пьером Соважем и шотландцем Фрейзером стал лауреатом Нобелевской премии за проектирование и создание молекулярных машин.
— Ваши наномашины состоят из вполне обычных элементов, таких как углерод, азот или сера. Можно ли ожидать в них более экзотические компоненты — к примеру, редкоземельные металлы или радиоактивные вещества?
— На этот вопрос очень тяжело ответить по одной простой причине: мы до сих пор не знаем, что могут и что не могут делать подобные молекулярные конструкции. При этом, несмотря на большие различия в структуре наших наномоторов, роторов и прочих элементов, все мы — и моя группа, и Стоддарт, и Соваж, и многие другие коллеги — пока работаем исключительно с органическими молекулами.
Конечно, ничто не мешает нам представить, что нечто подобное можно создать, используя исключительно неорганические соединения. К примеру — сконструировать комплексное соединение и заставить его, подобно нашим молекулярным моторам, вращаться вокруг собственной оси. Никто, правда, пока не собрал подобных наномоторов.
Причина тут проста. Благодаря развитию фармацевтики и полимерной химии мы научились очень быстро и хорошо синтезировать сложные соединения, состоящие из углеводородных цепочек. Я уверен, что все то же самое можно проделать и с неорганическими соединениями, однако для этого нам сначала придется понять, как собирать такие молекулы.
Если говорить о радиоактивных изотопах, я не думаю, что они когда-либо станут частью наномашин. Их необычные свойства и нестабильность, скорее всего, сделают их непригодными для работы в качестве одной из составных частей стабильных молекулярных систем, использующих свет или электричество в качестве источника энергии.
В этом отношении нам более интересны биологические молекулярные моторы, сотни разновидностей которых присутствуют в теле человека. Все они представляют собой белковые машины, многие из которых содержат атомы металлов.
Чаще всего они играют ключевую роль в тех реакциях, которые заставляют эти биомашины двигаться. Поэтому, как мне кажется, комбинация из комплексов металлов и обрамляющих их органических соединений выглядит наиболее перспективной.
— В этом году мы отмечаем 150-летний юбилей таблицы Менделеева. Вы могли бы объяснить, как это достижение полуторавековой давности помогает вам сегодня делать открытия?
—Таблица Менделеева и заложенные в ней закономерности фактически всегда помогают нам оценивать то, как ведут себя разные типы атомов, соседствующие в ней, и предсказывать свойства некоторых соединений.
К примеру, в некоторые типы наших моторов встроены атомы кислорода. Благодаря таблице мы понимаем, что сера будет похожа на него по своим свойствам, но при этом она чуть больше по размерам. Это позволяет нам гибко управлять поведением подобных молекулярных машин, меняя кислород на серу и наоборот.
На этом, конечно, наши возможности по предсказанию не заканчиваются. Существует множество других закономерностей, открытых недавно и позволяющих предсказывать некоторые характеристики наномашин.
С другой стороны, я сомневаюсь, что мы сможем создать что-то вроде периодической таблицы для подобных наноструктур. Тут у нас, если это и возможно в принципе, не хватает знаний.
Так, мы можем примерно предсказать, как поведут себя молекулярные моторы разных размеров, похожие друг на друга по устройству, но мы не можем сделать этого для радикально разных систем или спроектировать что-то с нуля, не проводя экспериментов.
— Недавно вы говорили, что первые полноценные нанороботы появятся примерно через пятьдесят лет. С другой стороны, всего полтора года назад во Франции прошла первая "гонка" подобных наномашин. Насколько далеки мы от появления автономных наноустройств?
— Следует понимать, что все существующие сегодня молекулярные машины очень примитивны и по структуре, и по предназначению. Фактически и наша машина, которую мы собрали в 2011 году, и эти "гоночные болиды" были созданы не для решения каких-то практических задач, а ради удовлетворения любопытства.
И мы, и наши коллеги разрабатываем подобные устройства для решения очень простых задач — мы пытаемся понять, как заставить молекулы двигаться в ту или иную сторону, останавливаться и исполнять другие простейшие команды. Это интересная, но пока чисто академическая задача.
Следующий шаг уже гораздо более сложный и серьезный. Важно понять, можно ли привлечь их к выполнению действительно практических задач: перевозить грузы, собираться в более сложные структуры и реагировать на внешние стимулы.
К примеру, наномашины можно использовать для создания "умных" окон, реагирующих на уровень уличного освещения и способных чинить себя; антибиотиков, работающих только при появлении определенного химического или светового сигнала. Подобные вещи, как мне кажется, появятся гораздо раньше, чем вы думаете, — уже в ближайшие десять лет.
Создание полноценных нанороботов, способных производить операции внутри организма или решать сложные задачи, конечно, потребует больше времени. Но я, опять же, уверен, что и это нам под силу. В теле человека присутствует бесчисленное множество подобных роботов, и ничто не мешает нам сконструировать их искусственные копии.
С другой стороны, мы, как я уже не раз говорил, сейчас находимся примерно на том же уровне развития, что и человечество во времена братьев Райт. Сначала нам следует определиться с тем, что и зачем мы будем создавать, и потом уже размышлять, как это сделать.
Как мне кажется, не стоит бездумно копировать то, что придумала природа. Иногда полностью искусственные системы, как самолеты или компьютерные чипы, создать гораздо проще, чем аналог крыла или человеческого мозга.
В других случаях проще взять то, что уже создали живые организмы, например какие-то антитела, и присоединить к ним лекарство или часть наномашины. Подобные подходы уже применяются в медицине. Поэтому нельзя однозначно сказать, что какой-то из них будет более перспективным и правильным для всех возможных применений нанороботов.
— В последние годы появилось два "класса" наномашин — относительно простые конструкции, получающие энергию извне, и более сложные структуры, полноценные аналоги моторов, способные производить ее самостоятельно. Какие из них ближе к реальности?
— Химические моторы, в чем-то похожие на аналоги в живых клетках, действительно начали появляться. Относительно недавно мы создали несколько подобных устройств в нашей лаборатории.
К примеру, нам удалось собрать наномашину, способную использовать глюкозу и перекись водорода в качестве топлива и транспортировать нанотрубки, наночастицы и другие тяжелые структуры в произвольном направлении.
Насколько они перспективны, сказать сложно — все зависит от решаемых задач. Если нам нужно наладить "перевозки" каких-то молекул, то они идеально для этого подходят. Для создания умных окон или других гаджетов, в свою очередь, уже нужно искать другой материал.
Вдобавок мы пока еще не понимаем, чего именно нам не хватает, какие аналоги классических машин можно создать, используя молекулы, и куда вообще будет двигаться вся наша сфера. По сути, мы только начали развивать ее. Пока ясно лишь одно — наномашины отличаются и от биомашин в наших клетках, и от их "больших сестер" в макромире.
— Если говорить о далеком будущем — можно ли использовать молекулярные машины, способные копировать себя, для решения глобальных задач, например для освоения Марса или других планет?
— Мне сложно говорить о других мирах, так как этот вопрос выходит далеко за рамки моей компетенции. Тем не менее я думаю, что наномашины вряд ли будут использоваться в таких целях в первую очередь. Когда мы пытаемся освоить какую-то новую и очень суровую среду, нам нужны очень надежные технологии, а не что-то экспериментальное.
Поэтому мне кажется, что подобные машины прежде найдут применение на Земле. Можно сказать, что это уже происходит: за последние годы химики создали сотни очень сложных конструкций из множества молекул, так называемые супрамолекулярные структуры, которые могут избирательно соединяться с определенными ионами и игнорировать все остальное.
К примеру, мой коллега Фрэнсис Стоддарт недавно основал стартап, в рамках которого он разрабатывает комплексы, способные извлекать золото из отходов горнодобывающих предприятий и отвалов пустой породы. В прошлом создание подобных соединений посчитали бы фантазией алхимиков.
— Разговоры о наномашинах чаще всего вызывают неподдельный страх у публики, опасающейся того, что будущие микроскопические роботы уничтожат цивилизацию и всю жизнь на Земле. Можно ли как-то с этим бороться?
— Эти проблемы во многом связаны с книгой "Машины создания: грядущая эра нанотехнологии", написанной Эриком Дрекслером в 1986 году. Представленный в ней сценарий гибели человечества в результате саморазмножения "серой слизи" известен сегодня практически каждому.
На самом деле тут нет ничего необычного — создавая новые наномашины, мы соблюдаем те же меры предосторожности, как и при работе с новыми и потенциально токсичными химическими веществами.
В этом отношении компоненты нанороботов ничем не отличаются по своему разрушительному потенциалу от "кирпичиков", из которых собираются молекулы новых лекарств, полимеров, катализаторов и прочих "обычных" продуктов химии.
Как и любому другому лекарству или пищевому продукту, подобным молекулярным структурам придется пройти огромное количество тестов на безопасность, которые покажут, могут ли они "восстать" и погубить человечество.
На самом деле в таких опасениях нет ничего удивительно — люди привыкли бояться чего-то нового и необычного. Каждое десятилетие появляется новая "страшилка" из мира физики, химии или биологии, которая заменяет те вещи, к которым мы уже привыкли. Сейчас, к примеру, стало модно бояться и критиковать геномный редактор CRISPR/Cas9 и искусственный интеллект.
Что должны делать ученые? Как мне кажется, наша задача проста: мы должны помочь общественности разобраться, что из этого правда, а что — вымысел. Важно понимать, какую практическую пользу несут эти новые открытия и в чем заключается их реальная опасность.
К примеру, если люди будут понимать, что CRISPR/Cas9 может излечить их от болезней, связанных с генетическими дефектами, или повысить урожайность растений, у них будет меньше причин опасаться этой технологии. То же самое касается наномашин будущего.