Материал: Нанотехнологии для всех (Рыбалкина), 2005, c.444

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

Среди них особенно интересны, например, респироциты – искусственные аналоги эритроцитов (красных кровяных телец, отвечающих за доставку кислорода к клеткам). Функциональ ность респироцитов во много раз превосходит природные эрит роциты. Они смогут накапливать в несколько раз больше кис лорода при значительно меньших размерах и энергопотребле нии. Благодаря респироцитам человек сможет часами обхо диться без воздуха (например, плавать под водой) абсолютно без ущерба для здоровья. Кроме возможности переносить боль ше кислорода, для респироцитов характерны также возмож ность перепрограммирования, долговечность и высокое быст родействие.

Каждому из нас знакомы такие досадные неприятности, как ссадины, порезы, раны, а то и разбитый нос. Подобные травмы часто сопровождаются обильным кровотечением, однако по мудрости природы наш организм надежно защищен от смерто носной потери крови благодаря присутствию в ней особых кле ток – тромбоцитов, участвующих в свертывании крови (тромбо генезе). Стоит нам случайно порезать палец или ободрать ко ленку, тромбоциты мгновенно бросаются на помощь к повреж денному сосуду и забивают собой образовавшуюся в нем «брешь», предотвращая, таким образом, дальнейшую потерю крови. Предложенные Фрайтасом искусственные аналоги тром боцитов – так называемые клоттоциты – достигают прекраще ния кровотечения (даже довольно обширного) за 1 секунду, в то время как для обычного тромбогенеза требуется от 5 до 17 минут. При этом концентрация искусственных тромбоцитов может быть меньше натуральных в 100 раз, то есть клоттоциты Фрайта са в 10 000 раз эффективней своего природного аналога!

Каждый школьник знает, что необработанная ссадина опас на не столько потерей крови, сколько риском получить зараже ние. Однако в кровь то и дело попадает небольшое количество болезнетворных микробов через раны на коже, деснах, языке, во время хирургических операций, лечения зубов и даже при вы давливании прыща на носу. Эти чужеродные бактерии обычно уничтожаются в организме особыми клетками крови – лейко цитами (белыми кровяными тельцами), способными к фагоци* тозу (захвату и перевариванию чужеродных бактерий), продук ции иммуноглобулинов (формированию иммунитета к данной

338

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

инфекции). Однако некоторое количество бактерий все же мо жет обойти естественную защиту, и тогда человек заболевает.

В связи с этим комплекс нанороботов, способных быстро очищать кровь человека от патогенов при сравнительно не большой концентрации, был бы весьма желательным помощ ником для человеческой иммунной системы. Таких наноробо тов Фрайтас назвал микрофагоцитами, или искусственными иммунными клетками.

Как работает микрофагоцит? В течение каждого цикла опе раций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прили пает к поверхности наноробота, как муха к липкой ленте, бла годаря специальным “присоединительным гнездам”. Далее те лескопические наноманипуляторы хваталки выдвигаются из специальных гнезд на поверхности микрофагоцита и транспор тируют бактерию к “умертвительному” резервуару, находяще муся внутри робота. После интенсивного механического пере малывания бактерии ее органические остатки выдавливаются специальным поршнем в “дигестальный” (от англ. digest пере варивать) резервуар, где они перевариваются с помощью комп лекса ферментов. Полученные в результате остатки будут представлять собой простые аминокислоты, мононуклеотиды, глицерин, воду, жирные кислоты и простые сахара, абсолютно безвредные для организма человека, которые просто выбрасы ваются в кровеносную систему. Весь цикл операций занимает не более 30 секунд.

Этот алгоритм, названный автором “перевари и выброси”, практически идентичен процессам переваривания и фагоцито за, которые используют натуральные фагоциты. Однако искус ственный процесс фагоцитоза будет намного быстрее и чище – продукты искусственных микрофагоцитов не будут содержать вредных для человека веществ, в отличие от биологически ак тивных, выбрасываемых в кровь натуральными макрофагами после переработки патогенных микробов. Кроме того, искус ственные фагоциты будут в 100 1000 раз меньше по объему.

Каким образом нанороботы будут взаимодействовать меж ду собой? Так же, как “общаются” друг с другом триллионы клеток в человеческом теле: посредством сложных молекул, на ходящихся на их внешних мембранах. Эти молекулы действуют как химические “сигнальные флаги” для того, чтобы обратить

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

ся к другим клеткам, или как химические “ворота”, которые управляют входом в клетку из кровотока некоторых молекул (например, гормонов).

Как устроены медицинские нанороботы?

Р. Фрайтас и К. Феникс предложили детально разработан ные чертежи разных нанороботов. Но талантливые конструкто ры нанороботов есть и у нас. Мы остановимся на описании уст ройства основных систем медицинского наноробота, предло женного главным аналитиком компании Nanotechnology News Network Юрием Свидиненко. Но сначала ответим на вопрос: что должен “уметь” наноробот и какие подсистемы ему для это го понадобятся?

Во первых, он должен перемещаться по кровеносной сис теме человека, то есть обладать мощной двигательной системой.

Во вторых, устройству необходимо иметь несколько типов различных сенсоров для мониторинга окружающей среды, нави гации и коммуникации.

В третьих, нанороботу нужна транспортная система, достав ляющая вещества от хранилищ к наноманипуляторам и обратно.

В четвертых, для работы с пораженными структурами уст ройство должно быть оборудовано набором различных телес* копических наноманипуляторов.

В пятых, необходимы приемопередающие устройства, поз воляющие нанороботам связываться друг с другом.

В шестых, не обойтись без генераторов и источников энергии. И, наконец, для удержания крупных объектов необходимы

телескопические захваты.

На основании выдвинутых требований Юрий построил мо дель медицинского наноробота общего применения. В идеаль ном случае это устройство будет способно “ремонтировать” поврежденные клетки; производить диагностику и лечение ра ковых заболеваний и картографировать кровеносные сосуды; производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой; уничтожать бактерии, вирусы, и т. п. На рисунках представлен предполагаемый вид такого наноробота, выполненного из ал мазоида.

Электромагнитные волны, которые смогут распростра няться в теле человека не затухая, будут по длине волны сравни

340

ГЛАВА 6. Биотехнологии и наномедицина

Рис 204. Медицинский наноробот общего применения

Рис 205. Основные блоки медицинского наноробота

НАНОТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ ВСЕХ

мы с нанороботом. Поэтому его антенны будут иметь вид дипо лей, выступающих за пределы корпуса.

Наноманипуляторы, механические захваты и жгутики должны быть телескопическими и при необходимости должны убираться в корпус робота, чтобы он мог лучше передвигаться в кровеносном русле.

Чтобы естественная иммунная система не “нападала” на робота, он должен быть сделан из биоинертного материала, например, алмазоида. Ряд экспериментов подтвердил, что гладкие алмазоидные структуры вызывают меньшую актив ность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэто му можно надеяться, что такое покрытие будет иметь очень низкую биоактивность и внешняя оболочка роботов будет хи мически инертна.

Рис 206. Двигательная подсистема и подсистема заякоривания

Для предложенного наноробота можно будет использовать нанокомпьютер, производящий 106 109 операций в секунду. Это на 4 7 порядков меньше вычислительной мощности человечес кого мозга, составляющей ~1013 операций в секунду. Так что

342