Чтобы понять, какие технологии будут лежать в основе будущей биомедицины, необходимо разобраться, на каких принципах основана биологическая жизнь. Начнем с истории, не имеющей, казалось бы, никакого отношения к этой теме.
Управлять атомами
В 1959 году на рождественском собрании американских физиков произошло событие, которому непросто найти аналоги в истории науки. Будущий нобелевский лауреат Р. Фейнман прочитал доклад о вещах довольно странных — о теоретической возможности и практической пользе собирать физические объекты из отдельных атомов «поштучно в заданной последовательности», «атом за атомом». Такой способ позволил бы, по мнению докладчика, «решить многие проблемы химии», биологии, электроники. Он говорил о возможности записать таким способом Британскую энциклопедию на булавочной головке, создать сверхминиатюрные механизмы и станки и о других фантастических вещах, которые может дать техника «манипуляции на атомарном уровне»…
Так впервые в мире была озвучена идея нанотехнологий и предложены разные сферы их применения. Однако в те времена ни сам докладчик, ни его слушатели не могли даже представить приемы работы с отдельными атомами и о выступлении быстро забыли.
Действительно, в середине прошлого века не было ответов на вопросы, без которых идея манипуляции атомами выглядит совершенно утопической… Как и чем захватить отдельные атомы? Как перемещать их с точностью, превышающей всякие фантазии? Как, наконец, эти атомы, не видимый ни в один оптический прибор, обнаружить?
Ответы на эти вопросы появились лишь в начале 80-х, когда были изобретены сканирующие зондовые микроскопы. С обычными микроскопами они не имели ничего общего, зато позволяли делать, казалось бы, невозможное — различать на поверхности вещества отдельные атомы. А через несколько лет их потомок, атомно-силовой микроскоп, позволял не только «видеть» отдельные атомы, но захватывать и перемещать их с поистине невероятной, атомарной точностью. И в 1989 году сотрудники американской компании IBM с помощью такого прибора выложили на никелевой подложке 35-ю атомами ксенона название своей фирмы. Это событие и можно, пожалуй, считать днем рождения реальных нанотехнологий, технологий, о которых за 30 лет до этого говорил Фейнман.
Произошло метаисторическое событие — земная цивилизация вступила в нанотехнологическую эру.
— Я читала где-то про наноеду, и про наноодежду и еще что-то… Но, честно говоря, до сих пор не понимаю, что это такое — нанотехнологии?
— Да, есть такая тенденция: называть нанотехнологиями многое, к реальному нанотеху отношения не имеющее. Попробуем разобраться.
Во-первых, изначально нанотехнологии — это не конкретные технологии, а идея о возможности и целесообразности манипулировать отдельными атомами и молекулами. Само название происходит от слова нанометр (нм): одна миллиардная часть метра, мера, наиболее подходящая для отдельных атомов, молекул.
Для примера: расстояние между атомами твердого вещества ~ 10 нм. Диаметр молекулы воды ~ 0,2 нм. Размеры вирусов колеблются от 20 до 500 и более нанометров. Биологическая клетка человека ~ 30 000 нм.
Некоторое представление о величине нанометра может дать такое сравнение — он на столько меньше футбольного мяча, на сколько мяч меньше земного шара.
Отличать реальные нанотехнологии от рекламных уловок довольно просто — нанотехнологии там, где что-то создается из отдельных атомов или молекул, там, где операции производятся «атом за атомом». Все остальное, даже если оно «очень маленькое» — это не нанотехнологии.
Нанотех
Сегодня нанотехнологиям предрекают фантастические перспективы в различных областях техники и производства. Энтузиасты восклицают — они изменят наш мир, вытеснят все остальные способы производства…
— Что же такого полезного можно сделать с крошечными атомами?
— Чтобы это понять, несколько слов о том, какие устройства могут выполнять нанотехнологические операции. Их, собственно, три типа — наносборщик, наноробот и наноразборщик.
Один из вариантов наносборщика можно предоставить как трехмерный (3D) принтер, «печатающий» объекты отдельными атомами или молекулами. Наноразборщик, как понятно из названия, — аппарат, способный последовательно «разбирать» материальные объекты на отдельные молекулы и атомы.
Нанороботы — это автоматические устройства наноскопических размеров, способные, в том числе находясь в различных средах, например, в живом организме, манипулировать там отдельными атомами или молекулами — группировать или разделять их.
Чтобы эффективно выполнять эти функции, такие аппараты должны обладать определенными свойствами: уметь передвигаться в пространстве, распознавать атомно-молекулярные объекты, захватывать и перемещать их. Они должны иметь программные управляющие механизмы (ЭВМ), средства связи, сенсоры, источники энергоснабжения и т. д. Большая проблема здесь в том, что особенности физики веществ на уровне молекул и атомов потребуют реализации вышеперечисленных возможностей на малоизученных физических принципах.
Еще одна проблема связана с тем, что для решения любых сколько-нибудь ощутимых макрозадач (например, для той же работы в живом организме) потребуются многие миллиарды подобных нанороботов. Изготавливать такие количества на наносборщиках представляется весьма проблематичным. Предлагается (пока гипотетически) решение придать нанороботам способность репликации, т. е. к воспроизводству своих собственных копий, «размножению». Есть, разумеется, и другие серьезные физико-технические проблемы.
Они… существуют!
— Профессор, с наносборщиками вроде бы понятно. Но нанороботы… Работающие в живом теле… Как-то с трудом представляется.
— Действительно, на первый взгляд из этих двух устройств наноробот кажется существенно более фантастическим. Наносборщики выглядят реальнее.
На самом деле все наоборот. Хотя силовые микроскопы как прототипы наносборщиков — уже реальность, эффективные производственные аппараты такого типа сегодня — пока только идея, реализовать которую по ряду принципиальных причин будет как минимум непросто. А вот нанороботы… Они не только возможны — они существуют. Существуют уже миллиарды лет… В самых разных формах, видах и обличиях. Мы живем среди них, живем благодаря им… Вся жизнь своим существованием обязана им. Одни, пожалуй, из самых наглядных их представителей — это известные всем вирусы.
Нанороботы системы «Вирус»
Вирусы иногда путают с бактериями. На самом деле это совершенно разные вещи. Бактерии — это полноценные живые одноклеточные организмы, имеющие обмен веществ, механизмы размножения (делением) и весьма сложное внутренне строение. Вирусы — это совсем другое дело. Они не живые. Они ничем не питаются, у них нет обмена веществ и органов размножения. Их строение неизмеримо проще. Вот как устроен бактериофаг T4 (вирус, поражающий бактерии), который часто используется благодаря своему примечательному внешнему виду в качестве примера (Рисунок 1).
Рис. 1. Строение бактериофага T4. [Источник: Adenosine; en: User: Pbroks13; wikimedia.org]
По всем признакам вирусы — это природные механизмы, подлинные нанороботы, «изготовленные» из органических молекул. Они действуют по своим внутренним программам, способны перемещаться внутри живого организма и взаимодействовать с внутриклеточными структурами на молекулярно-информационном уровне.
Хотя вирусы не могут размножаться, они успешно воспроизводят себя оригинальным способом, вводя в клетку свои ДНК (или РНК). Клетка начинает по ним синтезировать отдельные части вируса, которые затем, благодаря потрясающему (нанотехнологическому) явлению — самосборке — объединяются в новые вирусы. В сотни и тысячи новых вирусов…
Из-за такого способа размножения довольно долго вирусам отводилась роль лишь банальных паразитов. Однако затем была открыта их способность осуществлять горизонтальный перенос генов, т. е. «прихватывать» с собой генетический материал зараженной клетки и затем внедрять его в ДНК (РНК) других организмов. Согласно современным взглядам, горизонтальный перенос способствует существенному ускорению эволюции. Эти способности нанороботов-вирусов сегодня очень пригодились биологам.
Однако вирусы — далеко не единственные представители природных нанороботов.
Жизнь — это нанотех
Относительно недавно пришло понимание, что все важные процессы, протекающие в живых организмах — нанотехнологические. Разумная земная жизнь достигла понимания главного принципа своего существования.
Нанотехнологии, созданные природой за миллиарды лет до того, как их открыл человек — это фундамент, основа биологической жизни. Жизнь существует благодаря тому, что в каждом живом существе непрерывно работают мириады крошечных нанороботов. Именно нанотехнологии делают жизнь жизнью.
Изящное решение
Возникает вопрос — почему жизнь устроена именно таким образом? Для этого есть, на наш взгляд, по крайней мере одна веская причина.
В живых организмах десятки тысяч различных белков обеспечивают сокращение мышц, передачу нервных сигналов, реакции сетчатки глаз на свет, усвоение пищи, снабжение органов кислородом и т. д. и т. п. Чтобы синтезировать их химически, в лаборатории потребовались бы миллионы различных реакций, масса оборудования, промежуточных реагентов и, конечно, времени. Обеспечить такими способами производство этих веществ в живых организмах совершенно немыслимо и на том уровне знаний, который был еще несколько десятков лет назад, мы должны были бы сделать парадоксальное заключение — биологическая жизнь невозможна.
Однако она существует и мы не так давно смогли понять, как же природе удалось решить эту фантастическую проблему: белки в клетках не синтезируются химически, а формируются механически, собираются молекула за молекулой, как цепочки, из 20 типов аминокислот.
Как природа пришла к такому решению — великая загадка. Однако факт остается фактом — нанотехнологическую сборку белковых молекул осуществляют тысячи клеточных нанороботов — рибосом, по программам, поступающим к ним в виде информационных молекул мРНК. Это обеспечивает синтез неограниченной номенклатуры белков: меняется молекула-программа мРНК — меняется изготавливаемый рибосомой белок. Таким образом рибосомы — не что иное, как программируемые наносборщики органических молекул.
Синтез белков, главного материала биологической жизни, — основная задача биоклетки. Поэтому совершенно естественно, что все другие клеточные процессы должны быть сродственны этой центральной клеточной технологии, т. е. также должны быть нанотехнологическими и выполняться определенными наноустройствами.
Сегодня уже изучены механизмы работы около 40 таких клеточных наномашин. Кроме рибосом это лигазы и рестриктазы — специализированные нанороботы для соединения и разрезания молекул, роботы-шапероны — восстанавливающие поврежденные формы белковых молекул и транспортирующие их через биомембраны, хеликазы — наноприспособления для расплетения двойной спирали молекулы ДНК, а также нуклеазы, теломеразы и т. д.
Живая клетка — это не просто пузырек с органическими веществами, а сложный комплекс множества взаимодействующих нанороботов, реализующих программу жизни, записанную в клеточных ДНК. Как ни парадоксально звучит на фоне привычного противопоставления «живого» и «технического», основа жизни, биоклетка, наиболее адекватно описывается как «сложная инженерная наносистема».
О терминологии
Инженерная сущность жизни постепенно осознается специалистами. Однако по исторически сложившейся «химической» традиции клеточные наноустройства все еще часто относят к «веществам», продолжая уделять много внимания их химическим свойствам, атомным весам и т. д. Разумеется, все они состоят из веществ, но их суть не в показателях кислотности, а в том, какие нанотехнические операции они выполняют. Сегодня специалисты все чаще говорят в этой связи о «молекулярных машинах». Однако в данном случае использовать термин «машина», т. е. механизм, требующий внешнего управления, не совсем корректно, т. к. клеточные наноустройства обладают своей алгоритмической логикой и самостоятельны в рамках выполняемых ими функций. В тоже время не совсем верно называть их и роботами. Все же предполагается (см. «R.U.R.» К. Чапека), что робот — устройство достаточно универсальное, а клеточные наномеханизмы узкоспециализированы, предназначены для выполнения строго ограниченных операций. Более подходящим для клеточной машинерии будет термин наноавтоматы.
Надо полагать, что со временем в биологии будет все более активно использоваться инженерно-техническая терминология, адекватно отражающая суть внутриклеточной механики. Сегодня пока нет даже обобщающего термина для природных наноустройств. Будем далее, за неимением лучшего, называть их «природными наноавтоматами» (ПНА).
ПНА — форма и фолдинг
Все природные наноавтоматы представляют собой конструкции из одной или нескольких молекул белков и/или нуклеиновых кислот, самопроизвольно свернутых в сложные трехмерные структуры.
Рис. 2. Две проекции упрощенной модели рибосомы кишечной палочки. Она состоит из двух разделяемых субъединиц. Более светлым выделены белки, более темным — нуклеиновые кислоты. [Источник: ru.wikipedia.org]
Именно благодаря своим пространственным формам молекулы-ПНА способны выполнять наномеханические действия — перемещаться в нужных направлениях и перемещать другие объекты, находить, разделять или соединять различные молекулы и т. д.
Свою определенную форму ПНА принимают благодаря явлению фолдинга — свойству линейных органических молекул, составляющих природные наноавтоматы, самопроизвольно сворачиваются в необходимые пространственные структуры.
Хотя все силы, благодаря которым такая свертка происходит (пептидные, водородные связи, ван-дер-ваальсово взаимодействие, электростатические и гидрофильно-гидрофобные связи), известны, но полностью механизм фолдинга не нашел теоретического объяснения и остается, пожалуй, одной из самых важных загадок молекулярной биологии.
Управлять жизнью
Сегодня понятно, что абсолютно все происходящие в живом организме — его развитие, рост, болезни, старение, любые изменения — в конечном итоге определяются работой клеток, внутриклеточной наномеханикой. Также понятно, что по-настоящему эффективно управлять клетками, а, следовательно, и всеми жизненными процессами можно только на соответствующем нанотехнологическом уровне. Единственным действенным средством влияния на живые организмы могут быть только технологии, основанные на использовании специально созданных для этого наноинструментов — наноавтоматов, нанороботов… И только они могут победить смертность.
— А эти специальные нанороботы… Где их взять?
— Мы обсудим это в следующий раз.