Слышал недавно, что американские исследователи создали миниатюрные двигатели, сравнимые по своим размерам с живыми клетками. Зачем они нужны? Как устроены?

Олег КОНОВАЛОВ , Мурманская область

Компьютерное изображение микромоторчика, собранного из атомов.

Игрушки ученых?

Действительно, в настоящее время разработаны сразу несколько моделей молекулярных двигателей, сообщает журнал «Нейчур». Одну из них, например, создали доктор Том Росс Келли и его коллеги из Бостонского колледжа, штат Массачусетс. Крошечное устройство состоит из 78 атомов, размещенных в двух молекулах. Тем не менее, моторчик, как и положено, имеет ротор и статор, способный вращаться.

В качестве источника энергии микродвигатель, подобно живой клетке, использует аденозин трифосфат (АТР) — своего рода клеточный аналог бензина. Ротор моторчика состоит из шести нитей рибонуклеиновой кислоты (РНК), 6-конечной «звездой» прикрепленных к оси из дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК).

И этот двигатель не единственный в своем роде.

Подобные устройства синтезированы в университете штата Индиана (США), а также голландскими и японскими исследователями. И вот теперь, потратив несколько лет на подобную работу, ученые задумались: «Где же, собственно, возможно применение микромашин?»

Лирика технологии

Прежде чем перейти к описанию возможности применения подобных устройств, позволим себе своего рода лирическое отступление. Когда лес рубят, щепки, как известно, летят во все стороны. Потом бревно привозят на лесопильный комбинат и распиливают его на доски. И тут отходов немало. Затем доски попадают на мебельный комбинат, где из них делают, например, стол. Или стул.

Если сравнить готовое изделие с горой щепок, опилок, стружек и прочих отходов, оставшихся после его производства, то сравнение будет не из приятных. «Гора родила мышь», — говорят порой в таких случаях.

Подобные технологии господствуют, увы, и в других отраслях промышленности. Скажем, металл сначала добывают из руды. Потом металлическую заготовку обтачивают, фрезеруют и сверлят… В общем, уходит немало времени, энергии и труда, пока из выточенных деталей соберут готовую машину.

Но разве так работает природа? Взять то же дерево. Когда-то в землю попало семечко. По весне оно проросло и незаметно принялось за работу. Из почвы брало влагу и питательные вещества, из воздуха — углекислый газ, а в качестве источника энергии использовало солнечный свет. И из крошечного ростка со временем превратилось в гигантскую сосну, которую затем безжалостно свалили лесорубы, чтобы пустить на мебель и дрова. Разве такую технологию можно назвать рачительной?

Словом, нам еще очень многому учиться у природы. Так полагают и нынешние нанотехнологи. Они призывают своих коллег — инженеров и технологов сполна использовать последние достижения биологии и генной инженерии. «Мы тоже можем выращивать нужные нам устройства, — утверждают ученые. — И по своим размерам они могут быть сравнимы с живыми клетками. Однако такое будет возможно лишь в том случае, если мы будем рачительно использовать каждую молекулу и атом»…

А это, в свою очередь, требует от исследователей досконального знания предмета, то есть рационального использования информации — той суммы знаний о природе и ее законах, которые уже накоплены наукой и будут получены завтра.

Молекулярные сенсоры обещают быть очень чувствительными.

Уроки жизни

Главным источником вдохновения для создателей будущих механизмов должна стать биология. Ведь живые системы способны сами восстанавливаться, совершенствоваться, приспосабливаться к изменяющимся условиям. Таким свойствам регенерации и адаптации неплохо бы научить и создаваемые инженерами машины и устройства.

Вот уже несколько десятилетий копированием патентов живого занимается бионика. Но если честно, похвастаться тут нам пока еще нечем. Скажем, локаторы летучих мышей и дельфинов намного чувствительнее, компактнее и надежнее, чем ультразвуковые сонары подводных лодок. Нет у нас пока и фотоэлементов, солнечных батарей, способных соперничать, например, с зеленым листом, способным улавливать и использовать даже одиночные фотоны света. Нет еще и обшивки, которая была бы способна, подобно коже, сама регенерировать, заживлять мелкие царапины и даже повреждения средней тяжести. Да о чем еще говорить, когда обыкновенный земляной червь даст сто очков вперед любому экскаватору или буру по части прохождения толщи земных пород!

Все эти и множество других примеров и заставляют специалистов сегодня сформулировать по крайней мере пять задач, которые они хотят решить в ближайшее время. Во-первых, сенсоры и исполнительные устройства должны стать возможно более компактными — ведь в живых аналогах сплошь и рядом они состоят всего из нескольких атомов. Во-вторых, надо наделить все устройства системами самоконтроля, чтобы они имели возможность проверять собственную работоспособность, сразу же исправлять допущенные ошибки. В-третьих, машины будущего должны быстро адаптироваться, приспосабливаться к меняющимся условиям окружающей среды. В-четвертых, уметь кооперироваться, то есть создавать некие сообщества и иерархические системы с целью совместного решения особо трудных проблем. И, наконец, в-пятых, было бы неплохо, если бы наши машины и механизмы умели бы расти и развиваться подобно тому, как это делают, скажем, те же деревья и другие живые организмы.

Хотя ученые и говорят, что правильно сформулировать задачу — это уже наполовину ее решить, ошеломительных успехов у них пока еще немного. Тем не менее, как уже сказано выше, они есть.

Упрощенная схема молекулярного микромотора. Цифрами обозначено (на статоре):

1 — подшипник, 2 — источник протонов, 3 — эластичный проводник; (на роторе): 4 — ось, 5 — вращающийся диск, 6 — обмотка, принимающая протоны.

Молекулярные моторы по простоте устройства пока еще далеки от митохондрий — энергетических станций живой клетки. Цифрами на схеме обозначены:

1 — пространство между мембранами; 2 — внешняя мембрана; 3 — термохимический преобразователь энергии; 4 — своеобразный шлюз в мембране, через который митохондрия ведет обмен веществ с окружающей средой; 5 — внутренняя мембрана;  6 — внутриклеточная жидкость.

Аналоги живого

Началось все с создания крошечных машин размерами в доли микрона, которые, тем не менее, были способны производить какую-то работу. Поначалу их изготовляли и собирали, по существу, вручную. Примерно так же, как работал Левша — «глаз пристрелямши и руку набивши». Потом приспособили к этому делу технологии микроэлектроники и особую разновидность электронных микроскопов — так называемые силовые туннельные микроскопы.

Скажем, установка «Луч», созданная учеными Института нанотехнологий при Международном фонде конверсии, позволяет получать точечные электрические поля огромной мощности. Их действие заставляет отдельные атомы отрываться от кристаллической решетки, перемещаться в нужном направлении и монтироваться в определенные агрегаты.

Исследователи убеждены, что таким образом они вскоре смогут создать, например, малогабаритные вычислительные устройства на белковых молекулах.

Чтобы вы нагляднее представили себе, как они могут работать, вспомним историю. Первые вычислительные устройства — например, вычислительная машина Беббиджа или распространенные в первой половине прошлого века арифмометры — представляли собой набор шестеренок, которые перемещались друг относительно друга вручную или с помощью двигателя и таким образом производили сложение и вычитание, умножение и деление и даже извлечение корней и возведение в степень.

Еще один вариант молекулярного микромоторчика, напоминает линейный электродвигатель. Он способен обеспечивать перемещение энергетического источника по микротрубке 8-нанометровыми «шагами».

Нечто подобное, только на куда более совершенном технологическом уровне и предлагают нанотехнологи сегодня. Кроме компьютеров, молекулярные микродвигатели могут пригодиться также в диктофонах, миниатюрных видео- и фотокамерах, часах. За ними последуют молекулярные роботы-ремонтники, которые будут вживляться в человеческий организм для устранения физиологических и генетических повреждений на молекулярном уровне, даже оживления мертвых клеток. Возможно и построение этаких псевдорастений и псевдоживотных — искусственных аналогов живых производителей пищи. Наконец, мы отправим в космос целые колонии нанороботов, которые займутся не только исследованием Вселенной, но и созданием «человеческих» условий обитания на других планетах.

Публикацию подготовили А.АНАТОЛЬЕВ и С.НИКОЛАЕВ