Конкурс «био/мол/текст»-2012

Эта статья представлена на конкурс научно-популярных работ «био/мол/текст»-2012 в номинации «Лучший обзор».

---

Спонсор конкурса — дальновидная компания Thermo Fisher Scientific.

В наши дни все предметы материальной культуры стремятся к уменьшению. Телефоны и компьютеры становятся всё меньше, телевизоры — тоньше, камеры и микрофоны можно уже не заметить из-за их крошечности. Ещё несколько десятков лет назад никто не поверил бы в компьютер, который можно запросто поставить на стол и для которого не надо выделять целую комнату. То же самое касается и телефона без проводов, который помещается на ладони и имеет встроенную камеру. Сейчас в планах учёных создание телефонов и телевизоров настолько маленьких, что их можно поместить непосредственно в голову человека. Осуществление такой, как может показаться, сумасшедшей, задумки может обеспечить стремительно развивающаяся научная отрасль — нанотехнология.

Нанотехнология — это междисциплинарная область фундаментальной и прикладной науки и техники, имеющая дело с совокупностью теоретического обоснования, практических методов исследования, анализа и синтеза, а также методов производства и применения продуктов с заданной атомной структурой путём контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Приблизительно такое же, хотя не самое простое и «легкоусваиваемое» определение дают научные источники. Есть и более простое, неофициальное определение этому хитрому слову, предложенное одним из пользователей интернета: нанотехнология — это когда денег уходит всё больше, а результат при этом всё меньше. Второе определение, конечно, не самое научное, но суть отображает как нельзя точнее.

Для многих современных людей приставка «нано-» ассоциируется исключительно с музыкальным плеером, но наномир — это неотъемлемая часть нашей повседневной жизни. Наномир — это прионы, вирусы , которых мы боимся и от которых лечимся каждую зиму, не говоря уже о многомиллиардных финансовых вложениях именно в эту отрасль нанотехнологий, что влияет на общую экономическую ситуацию и на развитие других наук. По прогнозам учёных, через несколько десятков лет, а может быть и быстрее, нанотехнологии перевернут наш мир и, возможно, изменят его до неузнаваемости: нанороботы будут лечить нас изнутри, производить компьютеры наноразмеров, появятся новые способы получения энергии. И это всего лишь часть полезнейших изменений, которые принесёт развитие и внедрение в нашу жизнь нанотехнологий. А мы ведь даже не задумываемся о том, как сильно может измениться наша жизнь уже через пару лет.

Чуть более серьезный и обстоятельный взгляд на вирусы как наномасштабные объекты, которые может использовать человек в своих целях, приведен в статье «Вирусы-платформы: яд во благо» [10]. — Ред.

История возникновения и основные понятия

Впервые термин «нанотехнология» был употреблён в отношении производства изделий размером в несколько нанометров учёным Норио Танигути в 1974 году. Но всё началось несколько раньше, когда в 1959 году знаменитый физик Ричард Фейнман (рис. 1) на ежегодной встрече Американского физического общества выступил с докладом There’s Plenty of Room at the Bottom («Там внизу много места»). Всем известно, что многие вещества (например, алмаз и уголь) друг от друга отличает лишь порядок расположения атомов (кристаллическая решетка). Фейнман предположил возможность создания роботов настолько маленьких, что они смогли бы перемещать отдельные атомы, фактически моделируя вещество, его желаемую структуру и свойства, что стало бы прорывом не только в науке, но и во всех отраслях промышленности. Фейнман предложил сделать это так: сначала необходимо построить механизм, который создал бы свою копию, но на порядок меньших размеров, и так далее. В конце концов, так будет собран механизм из отдельных атомов. Такие механизмы смогут делать вещи, которые сегодня сложно даже представить.

К наноматериалам относят: углеродные нанотрубки, фуллерены, графен, нанокристаллы, аэрогель, аэрографит. Для изучения нанообъектов используют сканирующую зондовую микроскопию (в комплексе с оптической и электронной микроскопией), ультрамикротомы, спектроскопию комбинационного рассеяния и флюоресценции, и другие классические методы, используемые в химии, физике, биологии.

Прекрасный обзор сканирующей микроскопии дан в статье «Атомно-силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись» [11]. — Ред.

Итак, рассмотрим несколько вариантов (из, несомненно, великого множества) применения нанотехнолгий в повседневной жизни человека.

Применение в пищевой промышленности

Начать хотелось бы с самого общедоступного и, скорее всего, самого распространённого в будущем продукта нанотехнологий . Этот продукт — нанопища. Начнём с того, что такую пищу можно будет наделить различными внешними свойствами (например, свечением в темноте или очень ярким цвет) без применения вредных химический соединений . Такой продукт будет намного привлекательнее для маленьких детей . Во-вторых, такую пищу можно будет обогатить питательными веществами, витаминами, увеличить срок хранения многих продуктов, и плюс к этому производство станет более быстрым , экономичным и безотходным. Производство такой пищи будет выгодно для любой страны , а в особенности для развивающихся стран , для которых быстрое и дешёвое производство качественной полезной пищи станет своего рода спасательным кругом . Некоторые учёные заглядывают ещё дальше и предполагают, что нанотехнологии позволят доставлять в организм нужное количество калорий без необходимости поглощать пищу .

Здесь и далее в этом абзаце, мнение автора может не совпадать с мнением редакции ;-). — Ред.

Применение в медицине

Следующим пунктом хотелось бы рассмотреть применение нанотехнологий в медицине и здравоохранении. В этой области развитие нанотехнологий позволит изменить практически всё. Фактически наномедицины в широком применении ещё не существует; есть лишь отдельные исследовательские проекты и небольшое количество лекарств и методов, использующих преимущества нанотехнологий. В медицине это внедрение заключается в основном в «молекулярной хирургии» — изменении структуры клеток и тканей на молекулярном уровне. Такая «хирургия» позволит менять геном клеток, меняя, таким образом, весь организм . Существует теория, что с помощью нанотехнологий станет возможным даже остановить старение и обеспечить человеку вечную молодость.

Разумеется, изменение геномов в соматических (а тем более половых!) клетках приведет в первую очередь в мутациям, вряд ли способным послужить во благо медицине. Так что оставим это высказывание на совести его авторов. Про «нормальное» генетическое редактирование соматических клеток можно прочесть в статье «Разнообразия много не бывает: чем занимаются мобильные элементы генома в мозге» [12]. — Ред.

Скорее всего, нанотехнологии пока немного могут предложить в смысле вечной молодости. Зато, молекулярная биология уже довольно много разузнала о механизмах старости: «Старение — плата за подавление раковых опухолей?» [13] и статьи спецпроекта. — Ред.

Определенные успехи можно отметить в создании биологических тканей из наноматериалов . Так, учёные из США использовали трёхмерную самосборку волокон диаметром около 8 нм, имитирующих естественные волокна коллагена, с последующей минерализацией и образованием нанокристаллов гидроксиапатита, ориентированных вдоль волокон. Было обнаружено, что к полученному материалу хорошо прикрепляются костные клетки. Таким материалом можно будет «склеивать» или «шпаклевать» костную ткань.

Более реальные перспективы на сегодняшний день предлагает пусть не нано-, но все же тканевая инженерия: «Тканевая инженерия — окно в современную медицину» [14]. — Ред.

Учёные также собираются научить врачей использовать нанотехнологии для вакцинации. Не так давно в Мичиганском университете была создана абсолютно новая вакцина от сибирской язвы. Сделано это было так: один из возбудителей болезни был помещён в частицы эмульсии на основе соевого масла, воды, спирта и нескольких других компонентов. Полученная эмульсия была впрыснута в нос подопытным мышам. Вследствие этого у животных выработался иммунитет к сибирской язве. Кроме того, что такая вакцина не требует особенных условий хранения , она ещё невероятно удобна в использовании, так как не требует шприца для введения в организм, а это исключает болезненные ощущения пациента, возможность заражения или занесения в кровь инфекции через плохой шприц или из-за недобросовестной работы врача. Более того, некоторые люди просто-напросто боятся уколов; особенно хорошо об этом знают мамы маленьких детей. Такая вакцинация стала бы идеальным выходом для них.

Вообще говоря, эмульсии сами по себе не являются достижением нанотехнологий. Точнее, может быть, и являются, но в таком случае традиционно эта область нанотехнологий называется коллоидной химией. А вот то, что эмульсия (которая, по сути, является лишь формой доставки лекарства в организм) отменяет правила хранения вакцины — скорее всего, просто неправда: про вакцинацию читайте в нашей статье «Вакцины в вопросах и ответах» [15] и спецпроекте. О взаимодействии наночастиц с живой материей и использовании их для доставки лекарственных средств читайте в подробных обзорах «Невидимая граница: где сталкиваются „нано“ и „био“» [16] и «Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц» [17]. — Ред.

Доставка лекарственного средства в организм часто требует инъекции. Но в будущем для этого будут использоваться нанокапсулы (рис. 2), которые уже прошли испытания по введению инсулина в организм. Сегодня у учёных есть надежда, что нанотехнологии помогут не только в лечении недугов, которые люди уже научились лечить, но и спасут от пока неизлечимых болезней (например, рака).

Однако вероятнее всего революция придет в диагностическую область медицины. Например, фуллереновые наносферы могут быть использованы как рентгеноконтрастное вещество. Но куда более интересны устройства, получившие название lab on chip — «лаборатория на чипе» (рис. 3). Такая «лаборатория» представляет собой пластинку, на поверхности которой размещены рецепторы (их может быть до нескольких тысяч) к нужным веществам, и которая позволяет регистрировать и анализировать сверхмалые количества веществ (вплоть до отдельных молекул). С помощью этих устройств можно будет выявлять генетические заболевания, обнаруживать токсичные вещества и возбудителей инфекционных заболеваний. Они также смогут сообщать о подозрительных изменениях в организме человека, и найдут широчайшее применение не только в лечении и диагностике болезней людей, но и их домашних питомцев, от которых, согласитесь, достаточно трудно добиться информации о том, где у них болит.

Подробнее о технологии микрочипирования и других современных методах анализа в молекулярной биологии можно прочесть в статьях «Важнейшие методы молекулярной биологии и генной инженерии» [18] и «12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники» [19]. — Ред.

Уже сейчас по, оценкам экспертов, создано более нескольких сотен лекарств и средств их доставки на основе нанотехнологий, и в этой отрасли работает более двухсот компаний. В эту отрасль инвестируется ежегодно по нескольку миллиардов долларов, но, к сожалению, широкодоступными вышеперечисленные и многие другие инновационные лекарства и медицинские методы станут только через 30–40 лет.

Применение в области энергетики

Заметно улучшит нашу жизнь и внедрение нанотехнологий в область энергетики. Да-да, именно энергетики. Незнакомому с этой темой человеку сразу же придёт в голову мысль: «Как в энергетику? Как какие-то маленькие роботы и какие-то частицы смогут обеспечить нас энергией? Скорее, на них затратится энергия. Это всё полная ерунда!».

И мысль эта будет абсолютно ошибочной. Скоро мы станем свидетелями того, как новые «наноисточнкики» энергии заместят привычные сегодня нефть и газ. Учёными разработаны проекты внедрения нанотехнологий в уже известные нам технологии получения энергии из солнечного света и с помощью приливов и отливов. Свойства наноматериалов отличаются от свойств «обычных» материалов, сделанных из того же вещества. Применяя такие материалы, КПД получения энергии из солнечного света с помощью солнечных панелей можно повысить до 90% (сегодня это всего 20%)!

Что касается энергии приливов и отливов, то это уже всем известная вещь, изученная физиками со всех сторон. Нанотехнологии позволят спроектировать дамбы и турбины, обладающие невиданными прочностью и лёгкостью (такие свойства имеют углеродные нанотрубки). Вы только представьте, насколько полезными окажутся такие технологии для стран, где нет природных месторождений нефти и газа.

Пару слов напоследок

Как и любое другое нововведение, нанотехнелогии вызывают бурные эмоции и не менее бурные споры. Одни говорят, что это наше будущее, другие — что это лишь очередной способ заработать денег на бессмысленных исследованиях. Но я считаю, что мнение вторых — это всего лишь страх изменений или непонимание того, как сильно и в лучшую сторону изменит нашу жизнь то, что учёные вскоре смогут создать. Конечно, на их пути возникнет немало трудностей, которые предстоит преодолеть, и для этого не один год придётся провести в лаборатории. Это как труд спортсмена, который сначала доводит до совершенства технику, делает сотни тренировочных упражнений, а потом из этого рождается красивое и лёгкое сальто. Но потраченное время, несомненно, стоит результата, который в скором времени по-настоящему сильно всколыхнёт нашу жизнь. Нанотехнологии — это маленькие открытия, которые принесут большие изменения.

Литература

1. Richard P. Feynman. (1992). There's plenty of room at the bottom [data storage]. J. Microelectromech. Syst.. 1, 60-66;
2. Алфимова М.М. Занимательные нанотехнологии. М.: «Бином», 2011. — 96 с.;
3. Головин Ю.И. Наномир без формул. М.: «Бином», 2012. — 543 с.;
4. Деффейс К. и Деффейс С. Удивительные наноструктуры. М.: «Бином», 2011. — 206 с.;
5. Жоаким К. и Плевер. Л. Нанонауки. Невидимая революция. М.: «КоЛибри», 2009;
6. Хартманн У. Очарование нанотехнологии (2-е изд.). М.: «Бином», 2010. — 173 с.;
7. Эрлих Г. Малые объекты — большие идеи. Широкий взгляд на нанотехнологии. М.: «Бином», 2011. — 254 с.;
8. Артюхов И.В., Кеменов В.Н., Нестеров С.Б. Биомедицинские технологии. Обзор состояния и направления работы. Материалы 9-й научно-технической конференции «Вакуумная наука и техника». М.: МИЭМ, 2002;
9. Angus MacKinnon. (2002). Quantum gears: a simple mechanical system in the quantum regime. Nanotechnology. 13, 678-681;
10. Вирусы-платформы: яд во благо;
11. Атомно-силовая микроскопия: увидеть, прикоснувшись;
12. Разнообразия много не бывает: чем занимаются мобильные элементы генома в мозге;
13. Старение — плата за подавление раковых опухолей?;
14. Тканевая инженерия — окно в современную медицину;
15. Вакцины в вопросах и ответах;
16. Невидимая граница: где сталкиваются «нано» и «био»;
17. Наномедицина будущего: трансдермальная доставка с использованием наночастиц;
18. Важнейшие методы молекулярной биологии и генной инженерии;
19. 12 методов в картинках: генная инженерия. Часть II: инструменты и техники.