Нанотехнологии могут привести нас в светлое будущее. Каким образом?

Как извлечь колоссальную выгоду из возможностей нанотехнологий и избежать их возможных негативных последствий? Этим вопросом задавалась Кристин Петерсон, когда создавала Foresight Institute, некоммерческий мозговой центр, посвященный нанотехнологиям, тридцать лет назад. И сейчас, говорит она, этот вопрос продолжает ее вести. За последние десять лет нанотехнологии существенно продвинулись вперед и нашли некоторое практическое применение. Некоторые разрабатывают наноразмерные образчики для медицинских имплантатов, которые могли бы стимулировать рост костных клеток и положительную экспрессию генов. Другие работают над созданием управляемых наночастиц, которые могли бы обнаруживать и даже уничтожать раковые клетки.

Идея наномашин, которые путешествуют по вашему телу и ремонтируют его на клеточном уровне, приблизилась к реальности, благодаря разработке нанодвигателей и наноракет. Но прежде чем мы до них дойдем, Петерсон полагает, что нанотехнологии понесут и другие интересные последствия. Например, самоочищающиеся поверхности и нанотехнические катализаторы, которые будут улавливать парниковые газы и превращать углекислый газ в вещества, необходимые для заводов.

В конце прошлого месяце Петерсон выступила на семинаре Global Summit в Сан-Франциско. В этом интервью вы узнаете, как, по ее мнению, нанотехнологии помогут нам решить вопрос с водой, лечением рака и приведут нас в светлое будущее.

Нанотехнологии сегодня: смутная точка на экспоненциальной кривой?

Я делю нанотехнологии на три этапа: материалы, устройства, системы. Каждый из них следует по своей собственной кривой. На данный момент мы наблюдаем по большей части продукты из наночастиц, но у них нет точности на молекулярном масштабе — они не являются атомически точными. По мере улучшения этого параметра мы будем видеть появление материалов, обладающих такой точностью, особенно в фильтрации и катализе.

Как только такие продукты попадут на рынок, мы увидим, как они взмывают подобно ракете. Спрос на чистую воду огромен. Спрос на управление парниковыми газами огромен. Кто бы ни пришел к этим целям первым, итог будет положителен.

Объясните нанотехнологии незнакомцу на улице в двух словах.

Природа манипулирует отдельными молекулами, создавая сложнейшие вещи в мире — растения, животных и наши собственные тела. Задача нанотехнологий — использовать системы из молекулярных машин для создания чего мы захотим с таким же уровнем точности, и сделать это чисто — как природа.

В 2013 году вы прогнозировали, что достижения нанотехнологий в ближайшие десять лет в медицине в значительной мере повлияют на обнаружение рака, его визуализацию и лечение. Какие достижения в нанотехнологиях за последние пару лет были наиболее важными для медицины?

На использование нанотехнологий для борьбы с раком ушли большие усилия — сотни миллионов долларов — и эти усилия дают плоды.

Много разных групп, вроде Стэнфордского центра по совершенствованию онконанотехнологий, экспериментируют с наночастицами, пытаясь получить от них полезное поведение, вроде передачи цветосигнала при обнаружении раковой клетки или прикрепления к раковой клетке до тех пор, пока она не будет изучена. Их же можно запрограммировать на выпуск специальной сигнальной молекулы при обнаружении раковой клетки.

В лаборатории можно создать много больше необычных реакций. Например, наночастица может поглощать свет и создавать маломощную акустическую вибрацию при обнаружении опухоли или же выпускать тепло для уничтожения клетки.

Какие клинические испытания обнадеживают вас больше прочих?

Одно из моих любимых проводит компания MagArray. Она крепит наномагниты к раковым клеткам и затем выявляет их с помощью образца на чипе. На это уходит меньше часа и требуется минимальная техническая подготовка. Помимо рака, этот метод можно применить для наблюдения за цитокинами, что полезно при работе с Альцгеймером и аутоиммунными заболеваниями.

Конечно, если мы сможем побороть рак — а мы обязательно сможем — Альцгеймер станет еще большей проблемой, чем является сейчас. Просто побороть рак будет недостаточно. Нам нужно продолжать работу и заниматься всеми хроническими заболеваниями.

Существуют ли новые «умные материалы», которые проходят испытания в нанотехнических устройствах и которые могли бы в ближайшем времени заменить современные технологии? Если да, то какие?

Вот, например: мне нравится идея самоочищающихся материалов. Кембриджский университет работает над созданием поверхностей, в которые встроены фотокаталитические наночастицы диоксида титана. Они используют ультрафиолетовый свет для преобразования грязи на поверхности в диоксид углерода и воду. Капля масла размером с отпечаток пальца на такой поверхности удаляется за полтора часа.

Однажды у нас будут металлические импланты, которые не подходят для многих целей. Монреальский университет совместно с партнерами нашел способ создания наноразмерных узоров на поверхности таких имплантов, и они могут увеличивать рост костных клеток, снижать рост нежелательных клеток, стимулировать развитие стволовых клеток и изменять экспрессию генов положительным образом. Удивительно. Многие из таких применений буквально сошли со страниц научной фантастики.

В Австралии, в RMIT и Университете Аделаиды, работают над материалами, которые используют наноразмерные кристаллы — диэлектрические резонаторы — для передачи или блокирования света определенной длины волны. Это может привести к созданию контактных линз, которые меняют то, что мы видим, или даже созданию головного дисплея, который показывает дополнительную информацию в нашем поле зрения. Наконец-то я смогу запомнить имена людей, которых встречала ранее.

Когда вы стали соучредителем Foresight Institute, чем вы вдохновлялись? Какой вопрос волновал вас на тот момент?

Тогда меня беспокоил вопрос: как извлечь колоссальную выгоду из возможностей нанотехнологий и избежать возможных негативных последствий, настолько же колоссальных?

Мы хотели бы ускорить развитие продвинутых медицинских и других положительных приложений и не дать развиваться с такой же скоростью военным. Понимание силы нанотехнологий в улучшении качества жизни и особенно медицине прошло долгий путь, но из-за различных ограничений медицинское использование постоянно откладывается. В военной сфере все ровно наоборот: военные получают ранний доступ к новым технологиям и военные приложения финансируются в десять раз лучше.

Совместите эти тенденции, и станет понятно, почему трудно ускорить развитие медицинских приложений этой технологии и одновременно замедлить развитие военных. Это сложная задача.

Шел 2025 год, как нанотехнологии улучшили состояние окружающей среды?

К этому моменту, а может и раньше, может осуществиться два серьезных прорыва. Во-первых, мы можем решить проблему с водой, используя фильтрацию молекулярной точности. Эта технология уже разрабатывается частной компанией AquaVia при поддержке National Science Foundation.

Во-вторых, мы можем очистить воздух от загрязнений, в том числе и от парниковых газов, с помощью нанотехнических катализаторов, которые удаляют углекислый газ из воздуха и перестраивают его в химические вещества, которые можно использовать в промышленности. Над этим работает Кристиан Шафмейстер из Университета Темпл.

Практически любая экологическая проблема, которую можно представить, может быть теоретически разрешена с использованием развитых нанотехнологий. Именно эта мечта о восстановлении окружающей среды подтолкнула меня в эту область десятки лет назад, и приятно видеть, что она наконец начинает сбываться.

Что может помешать нам в ближайшие 10 лет?

Обе этих перспективы определенно грядут. Единственный вопрос: когда. Нам нужно вкладывать больше ресурсов в R&D. Таланты есть, идеи есть, вопрос в финансировании.

Какой «умный объект» будущего вам нравится больше всего?

Обычно я обращаюсь к мысленному эксперименту. Представьте стул, состоящий из систем молекулярных машин. Эти машины могут перестраиваться в другую форму, например, в стол. Сколько времени им понадобится, чтобы изменить форму с одной на другую? Вы легко можете представить этот эксперимент, поскольку и сами состоите из молекулярных машин.

Представьте, как вы садитесь на корточки, образуя стул, а затем опускаетесь на четвереньки и становитесь «столом». На всю операцию уходит не больше секунды. Это максимальное время, которое потребуется стулу из продвинутых наноматериалов, чтобы стать столом. Можно и быстрее, если поставить такую цель.

Но моя мечта — это «машина по ремонту клеток», которая способна передвигаться по телу и осуществлять ремонт ДНК, белков и других молекул. Построить такую машину будет непросто. Потребуется много съемных инструментов, которые могут загружаться и выгружаться по необходимости. Но она могла бы проанализировать, а потом и решить практически любую физическую проблему наших тел, включая старение.