Физика будущего

Каку Митио

Так что в будущем методики с использованием нанотехнологий смогут обнаруживать колонии раковых клеток за несколько лет до того, как из них сформируется опухоль, а циркулирующие в крови наночастицы будут их уничтожать. Сегодня прорабатываются теоретические основы подобных методов лечения.

Наномашины в нашей крови

Если продвинуться еще на шаг, то вместо наночастицы мы получим нанокар (наноавтомобиль) — устройство, которым можно по-настоящему управлять в его путешествиях по телу. Если наночастицы вводят в кровоток и оставляют в покое, то скоростью и направлением движения нанокаров можно управлять,

примерно как машинками с радиопультом.

Джеймс Тур (James Tour) и его коллеги из Университета Райса разработали первый нанокар. Вместо колесу этой крохотной машинки — четыре фуллерена. Одна из задач, к решению которых стремятся исследователи, состоит в том, чтобы молекулярная машина могла буксировать по кровотоку крошечного робота, убивая по пути раковые клетки или доставляя жизненно необходимые лекарства точно к месту назначения.

Основная проблема состоит в том, что у нанокаров нет двигателя. Ученые изобретают все более сложные молекулярные машины, но вот создать молекулярный двигатель пока никому не удается, и это главный камень преткновения. Мать-природа решила эту задачу при помощи особой молекулы, аденозинтрифосфата (АТФ), которая и служит всем живым существам источником энергии. Именно за счет энергии этой молекулы на Земле существует жизнь; она ежесекундно обеспечивает энергией каждое движение наших мышц. Энергия запасается в молекуле АТФ за счет внутренних атомных связей. Однако создать синтетический аналог такому аккумулятору оказалось весьма сложно.

Томас Маллук (Thomas Mallouk) и Айюсман Сен (Ayusman Sen) из Университета штата Пенсильвания все же смогли найти потенциальное решение этой проблемы. Они создали нанокар, способный передвигаться со скоростью десятки микрон в секунду, т. е. примерно с такой же скоростью, с какой передвигается большинство бактерий. (Сначала они изготовили из золота и платины наностержень размером с бактерию, который затем поместили в водный раствор перекиси водорода. При этом на обоих концах наностержня началась химическая реакция, в результате которой протоны стали двигаться от одного конца стержня к другому. Поскольку двигались они в электрическом поле, создаваемом дипольными молекулами воды, возникла сила, толкающая наностержень вперед. Пока в воде присутствует перекись водорода, стержень будет двигаться.)

Подобные наностержни можно двигать при помощи магнитов. Ученые встроили в них никелевые диски, и теперь стержни, как стрелка компаса, разворачиваются вдоль линий магнитного поля. Двигая рядом обычный магнит с холодильника, можно направить наностержни в любую сторону.

Еще один способ заставить молекулярную машину двигаться — осветить фонариком пункт ее назначения. Свет способен разлагать молекулы на положительные и отрицательные ионы (фотодиссоциация). Ионы затем с разной скоростью диффундируют сквозь среду, создавая тем самым электрическое поле, а поле, в свою очередь, притягивает молекулярные машины. Таким образом, направив в определенное место фонарик, можно заставить молекулярные машины двигаться туда.

Нечто подобное я видел при посещении лаборатории Сильвэна Мартеля (Sylvain Martel) в Монреальском политехническом институте в Канаде. Он работал над идеей использовать для направленного перемещения крохотного чипа в кровотоке жгутики обычных бактерий. До сих пор ученым не удается соорудить атомный движитель вроде того, что можно найти в жгутике бактерии. Мартель задался вопросом: если нанотехнология не в состоянии изготовить такое устройство, то почему не использовать жгутики настоящих живых бактерий?

Для начала он изготовил микропроцессор

размером меньше точки в конце этого предложения. Затем вырастил группу бактерий. Он сумел поместить около восьмидесяти бактерий с одной стороны чипа (условно говоря, сзади), так что они вынуждены были играть роль живого винта и толкать микропроцессор вперед. А поскольку бактерии эти были слегка магнитными, Мартель мог при помощи внешних магнитов направить их в любую нужную ему сторону.

Мне и самому удалось попробовать себя в роли погонщика бактерий. Я смотрел в микроскоп и видел там крохотный чип, который толкали перед собой несколько бактерий. Когда я нажимал кнопку, включался магнит, и чип начинал двигаться вправо. Когда я отпускал кнопку, чип останавливался, а затем начинал беспорядочно дергаться из стороны в сторону. Таким образом, я действительно управлял его движением. При этом я представлял себе, что когда-нибудь, возможно, врач нажатием подобной кнопки будет управлять движением наноботов в венах пациента.

Можно вообразить себе будущее, когда хирургию полностью заменят молекулярные машины, которые под управлением магнитов будут свободно передвигаться по системе кровообращения, собираться у больного органа, а затем высвобождать лекарства или проводить хирургическую операцию. Технологии, при которых требовалось разрезать кожные покровы человека, могут полностью уйти в прошлое. К примеру, магниты могли бы подвести наномашины к сердцу пациента, где требуется устранить блокаду артерий.

ДНК-процессоры

Как мы уже упоминали в главе 3, в будущем в нашей одежде, теле и ванной комнате будут присутствовать крохотные датчики, постоянно следящие за здоровьем хозяина и способные распознать болезни, такие как рак, за несколько лет до того, как они начнут представлять опасность. Ключ к этому — ДНК-чип, или ДНК-процессор, который, по обещаниям ученых, станет настоящей «микросхемой-лабораторией». Подобно трикордерам «Звездного пути», эти крохотные датчики будут за несколько минут проводить полный комплекс медицинских анализов и выдавать результат.

Сегодня проверка на рак — это долгий, дорогой и трудоемкий процесс, часто занимающий не одну неделю. Понятно, что количество пациентов, которых медики могут проверить, при таких условиях сильно ограничено. Однако компьютерные технологии меняют эту ситуацию. Ученые уже создают устройства, способные быстро и дешево распознать рак по определенным биомаркерам, выделяемым раковыми клетками.

Все та же технология травления, которая используется в производстве микросхем, позволяет вытравить на подложке такой микроскопический рельеф, при помощи которого можно будет распознавать специфичные для раковых клеток ДНК-последовательности.

Технология травления позволяет встроить в микросхему фрагменты ДНК. Эти фрагменты способны связываться с конкретными генными последовательностями, вылавливая их из текущей жидкости. Затем при помощи лазера можно быстро просканировать всю прилегающую область и найти соответствующие гены. Таким образом, гены не приходится считывать по одному, как раньше, а можно сканировать целыми тысячами за раз.

В 1997 г. компания Affymetrix выпустила на рынок первый коммерческий ДНК-чип, способный быстро проанализировать 50 000 ДНК-последовательностей. Уже в 2000 г. за несколько тысяч долларов можно было сделать 400 000 ДНК-проб. К 2002 г. цена упала до 200 долларов, при этом микросхемы-анализаторы стали еще более мощными. Цены, согласно закону Мура, продолжают падать и упадут до нескольких долларов.