Молекулярные роботы делают свои первые наношаги
"Шагающая" молекула, созданная химиками из Оксфордского университета, настолько маленькая, что ее невозможно рассмотреть даже в самый мощный микроскоп, сделала свои первые шаги, длина которых составляет всего около одного нанометра. Этот случай является первым в истории современной науки, когда серия крошечных шагов, сделанных молекулой-нанороботом, была зарегистрирована в режиме реального времени. Это все является существенной вехой на пути разработки настоящих нанороботов, способных осуществлять доставку лекарственных препаратов, бороться с клетками злокачественных опухолей и выполнять массу другой работы на микроскопическом уровне, недостижимом для восприятия не только невооруженным, но и слабовооруженным глазом
"Вы только представьте, как в будущем, такие крошечные молекулярные машины смогут переносить на себе полезный груз также молекулярных размеров, который будет являться расходным материалом или деталями других, более сложных машин, способных работать даже внутри живых клеток" - рассказывает доктор Гокс Су Пулку (Gokce Su Pulcu) с Факультета химии Оксфордского университета, - "Но нашей конечной целью является разработка универсальной нанотранспортной сети, которую можно развернуть в любом месте и по которой "наноходоки" будут переносить свои грузы".
Однако, прежде чем молекулярные нанороботы смогут "бегать" по транспортным сетям, их требуется сначала научить ходить, как ребенка, маленькими шажками. "И это является совсем непростой задачей" - рассказала доктор Су, - "В течение некоторого времени уже были созданы наномашины и шагающие нанороботы, изготовленные из молекул ДНК, и передвигающиеся по путям из тех же молекул ДНК. К сожалению, такие ДНК-системы имеют размеры гораздо больше наших молекулярных "ходоков", да и работают они только в водной среде".
Одной из главных проблем, с которыми сталкиваются ученые, разрабатывающиеся всяких движущихся нанороботов, заключается в том, что даже самые мощные микроскопы не способны рассмотреть объекты, размерами 10-20 нанометров. Это, в свою очередь, означает, что перемещение "наноходоков", шаг которых составляет около 1 нанометра, может быть обнаружено лишь только после того, как это крошечное устройство сделает 15-20 шагов. И поэтому, при помощи микроскопа невозможно точно определить, каким образом устройство переместилось из одной точки в другую, то ли оно прошагало расстояние как положено, то ли оно "подпрыгнуло", "пролетело" и пропустило несколько промежуточных шагов.
Доктор Су с ее коллегами из исследовательской группы Bayley Group использовали новый подход, позволяющий определить в режиме реального времени каждый шаг, который делает передвигающийся молекулярный наноробот. Этот наноробот состоял из молекулы, в составе которого содержатся атомы мышьяка, а его движение регистрировалось по следу, оставляемому им на так называемых нанопорах, отверстиях очень малого диаметра, заполненных определенных химическим веществом.
Упомянутые выше нанопоры являются продуктом новаторской технологии упорядочивания ДНК, разработанной учеными Bayley Group и специалистами их дочерней компании Oxford Nanopore Technologies. Через нанопоры, заполненные определенным видом белка, пропускается слабый электрический ток. "Наноходок", шагающий по этим нанопорам, вызывает изменения в структуре белка, которые являются оставляемым им следом и которые влияют на силу текущего электрического тока.
"Мы не можем видеть как наш "ходок" двигается. Но, создавая диаграмму изменений ионного тока, текущего через пору, мы можем отследить, как молекула перемещается от одной точки опоры к другой" - объясняет доктор Су.
Для того, чтобы препятствовать своему "ходоку" оторваться от поверхности и уплыть в пространство, исследователи снабдили его химически активными "ногами" атомы которых образуют химические связи с материалом поверхности, по которой шагает эта молекула. "Это похоже на то, если бы вы шли по поверхности, покрытой клейким составом" - объясняет доктор Су, - "Каждый раз "нога" молекулы, входя в контакт с поверхностью, прилипает к ней, образуя химическую связь. И мы выбрали для ног молекулы такое вещество, которое позволит ей передвигаться по множеству различных поверхностей".
Осуществление шагового перемещения для такой крошечной наномашины уже само по себе является достаточно большим достижением. Однако, до момента появления первых универсальных программируемых нанороботов пройдет еще немало времени. "В настоящее время мы еще не можем точно управлять направлением, в котором будет двигаться наш "наноходок". Сейчас он перемещается достаточно беспорядочным способом" - рассказывает доктор Су, - "Однако, если нам удастся создать нечто вроде дороги для таких молекул, по которой им перемещаться будет намного легче, то ходоки будут двигаться именно по этому пути, и это значит, что мы сможем направить их туда, куда нам и нужно".
Следующим шагом ученых будет создание молекулы-ходока, которая сможет выполнять полезную работу, к примеру, перенося некоторый груз. В настоящее время ученые рассматривают вариант размещения груза на "голове" молекулы, там, где для этого есть достаточно свободного пространства. Все это является лишь первыми робкими шагами развития совершенно новой технологии, технологии, которая сможет в будущем принести очень много полезного всему человечеству в целом.
"Вы только представьте, как в будущем, такие крошечные молекулярные машины смогут переносить на себе полезный груз также молекулярных размеров, который будет являться расходным материалом или деталями других, более сложных машин, способных работать даже внутри живых клеток" - рассказывает доктор Гокс Су Пулку (Gokce Su Pulcu) с Факультета химии Оксфордского университета, - "Но нашей конечной целью является разработка универсальной нанотранспортной сети, которую можно развернуть в любом месте и по которой "наноходоки" будут переносить свои грузы".
Однако, прежде чем молекулярные нанороботы смогут "бегать" по транспортным сетям, их требуется сначала научить ходить, как ребенка, маленькими шажками. "И это является совсем непростой задачей" - рассказала доктор Су, - "В течение некоторого времени уже были созданы наномашины и шагающие нанороботы, изготовленные из молекул ДНК, и передвигающиеся по путям из тех же молекул ДНК. К сожалению, такие ДНК-системы имеют размеры гораздо больше наших молекулярных "ходоков", да и работают они только в водной среде".
Одной из главных проблем, с которыми сталкиваются ученые, разрабатывающиеся всяких движущихся нанороботов, заключается в том, что даже самые мощные микроскопы не способны рассмотреть объекты, размерами 10-20 нанометров. Это, в свою очередь, означает, что перемещение "наноходоков", шаг которых составляет около 1 нанометра, может быть обнаружено лишь только после того, как это крошечное устройство сделает 15-20 шагов. И поэтому, при помощи микроскопа невозможно точно определить, каким образом устройство переместилось из одной точки в другую, то ли оно прошагало расстояние как положено, то ли оно "подпрыгнуло", "пролетело" и пропустило несколько промежуточных шагов.
Доктор Су с ее коллегами из исследовательской группы Bayley Group использовали новый подход, позволяющий определить в режиме реального времени каждый шаг, который делает передвигающийся молекулярный наноробот. Этот наноробот состоял из молекулы, в составе которого содержатся атомы мышьяка, а его движение регистрировалось по следу, оставляемому им на так называемых нанопорах, отверстиях очень малого диаметра, заполненных определенных химическим веществом.
Упомянутые выше нанопоры являются продуктом новаторской технологии упорядочивания ДНК, разработанной учеными Bayley Group и специалистами их дочерней компании Oxford Nanopore Technologies. Через нанопоры, заполненные определенным видом белка, пропускается слабый электрический ток. "Наноходок", шагающий по этим нанопорам, вызывает изменения в структуре белка, которые являются оставляемым им следом и которые влияют на силу текущего электрического тока.
"Мы не можем видеть как наш "ходок" двигается. Но, создавая диаграмму изменений ионного тока, текущего через пору, мы можем отследить, как молекула перемещается от одной точки опоры к другой" - объясняет доктор Су.
Для того, чтобы препятствовать своему "ходоку" оторваться от поверхности и уплыть в пространство, исследователи снабдили его химически активными "ногами" атомы которых образуют химические связи с материалом поверхности, по которой шагает эта молекула. "Это похоже на то, если бы вы шли по поверхности, покрытой клейким составом" - объясняет доктор Су, - "Каждый раз "нога" молекулы, входя в контакт с поверхностью, прилипает к ней, образуя химическую связь. И мы выбрали для ног молекулы такое вещество, которое позволит ей передвигаться по множеству различных поверхностей".
Осуществление шагового перемещения для такой крошечной наномашины уже само по себе является достаточно большим достижением. Однако, до момента появления первых универсальных программируемых нанороботов пройдет еще немало времени. "В настоящее время мы еще не можем точно управлять направлением, в котором будет двигаться наш "наноходок". Сейчас он перемещается достаточно беспорядочным способом" - рассказывает доктор Су, - "Однако, если нам удастся создать нечто вроде дороги для таких молекул, по которой им перемещаться будет намного легче, то ходоки будут двигаться именно по этому пути, и это значит, что мы сможем направить их туда, куда нам и нужно".
Следующим шагом ученых будет создание молекулы-ходока, которая сможет выполнять полезную работу, к примеру, перенося некоторый груз. В настоящее время ученые рассматривают вариант размещения груза на "голове" молекулы, там, где для этого есть достаточно свободного пространства. Все это является лишь первыми робкими шагами развития совершенно новой технологии, технологии, которая сможет в будущем принести очень много полезного всему человечеству в целом.