|
|
Проект первый
- наномедицина по Фрайтасу
Идеи многих великих открытий часто возникают
внезапно, рождаясь там, где их никто не ожидал. Так, упавшее с дерева яблоко навело
Ньютона на мысль о законе всемирного тяготения, а приснившаяся таблица позволила
Менделееву внести свой неповторимый вклад в развитие химии. Также неожиданно обычный
треп на форуме сайта Института Предвидения
Но обо всем по порядку. 14 июня 1996 года Крис
Феникс-автор идеи конвергентной нано-фабрики, оставил на форуме сообщение: “А что
если заменить кровь человека 500 триллионами роботов?”. Этот “безумный” на первый
взгляд вопрос привел Феникса к продолжительному сотрудничеству с Робертом Фрайтасом,
результатом которого явился 100_страничный труд под названием “Roboblood” (робототехническая
кровь), изданный в 2002 году. “Roboblood” представ-ляет собой детально рассчитанный
проект комплекса медицинских нанороботов, способных жить и функционировать в человеческом
теле, выполняя самые разнообразные функции крови, включая циркуляцию дыхательных
газов, глюкозы, гормонов, отходов, клеточных компонентов, процесс деления цитоплазмы.
Впрочем, для своего наноробота ученые придумали другой термин – васкулоид (от лат. vas– сосуд и греч. oidos –
подобный).“Робокровь”, включающая около 500 триллионов микроскопических нанороботов
общим весом примерно 2 кг, потребляет 30_200 Ватт энергии в зависимости от рода
человеческой деятельности. Система соответствует форме кровеносных сосудов и может
служить полной заменой естественной кровеносной системе. Проще говоря, нанороботы
образуют кровеносную систему и функционируют в ней.
Подразумевается, что они будут сделаны из алмазоида
или другого биосовместимого материала, а биологическое питание будут получать из
глюкозы и кислорода. Какие же преимущества дает такая роботизированная кровь обычному
человеку? Возможностей, оказывается, множество: это и борьба с болезнетворными микробами,
и регулярная “чистка” и укрепление сосудов, предотвращающая болезни типа атеросклероза,
варикозного расширения вен и т. д., и автоматическое лечение поврежденных клеток,
и даже замена больных генов здоровыми.
Наша кровь – это уникальная система обеспечения
жизнедеятельности клеток и тканей, состоящая из множества различных клеток, выполняющих
строго определенные функции. Р.
Фрайтас
разработал несколько проектов медицинских нанороботов различного назначения. Среди них особенно интересны, например,
респироциты –искусственные аналоги эритроцитов
(красных кровяных телец,отвечающих за доставку кислорода к клеткам). Функциональность
респироцитов во много раз превосходит природные эритроциты. Они смогут накапливать
в несколько раз больше кислорода при значительно меньших размерах и энергопотреблении.
Благодаря респироцитам человек сможет часами обходиться без воздуха (например, плавать
под водой) абсолютно без ущерба для здоровья. Кроме возможности переносить больше
кислорода, для респироцитов характерны также возможность перепрограммирования, долговечность
и высокое быстродействие.
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 смертоносной потери крови благодаря присутствию
в ней особых клеток – тромбоцитов, участвующих в свертывании крови (тромбо-генезе).
Стоит нам случайно порезать палец или ободрать коленку, тромбоциты мгновенно бросаются
на помощь к поврежденному сосуду и забивают собой образовавшуюся в нем «брешь»,
предотвращая, таким образом, дальнейшую потерю крови. Предложенные Фрайтасом искусственные
аналоги тромбоцитов – так называемые клоттоциты – достигают прекращения кровотечения
(даже довольно обширного) за 1 секунду, в то время как для обычного тромбо-генеза
требуется от 5 до 17 минут.
При этом концентрация искусственных тромбоцитов
может быть меньше натуральных в 100 раз, то есть клоттоциты Фрайтаса в 10 000 раз
эффективней своего природного аналога! Каждый школьник знает, что необработанная
ссадина опасна не столько потерей крови, сколько риском получить заражение. 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
выдавливании прыща на носу. Эти чужеродные бактерии обычно уничтожаются в организме
особыми клетками крови – лейкоцитами (белыми кровяными тельцами), способными к фагоцитозу (захвату и перевариваниючужеродных
бактерий), продукции иммуноглобулинов (формированию иммунитета к данной инфекции). Однако некоторое количество
бактерий все же может обойти естественную защиту, и тогда человек заболевает.В связи
с этим комплекс нано-роботов, способных быстро очищать кровь человека от патогенов
при сравнительно небольшой концентрации, был бы весьма желательным помощником для
человеческой иммунной системы. Таких нанороботов Фрайтас назвал микрофагоцитами, или искусственными иммунными клетками. Как работает микрофагоцит?
В течение каждого цикла операций, выполняемых устройством, патогенная бактерия прилипает
к поверхности наноробота, как муха к липкой ленте, благодаря специальным “присоединительным
гнездам”. Далее телескопические нано-манипуляторы_хваталки выдвигаются из специальных
гнезд на поверхности микрофагоцита и транспортируют бактерию к “умертвительному”
резервуару, находящемуся внутри робота. После интенсивного механического перемалывания
бактерии ее органические остатки выдавливаются
специальным
поршнем в “дигестальный” (от англ. digest _ переваривать) резервуар, где они перевариваются
с помощью комплекса 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 выбрасывают-ся
в кровеносную систему. Весь цикл операций занимает не более 30 секунд.
Этот алгоритм, названный автором “перевари_и_выброси”,
практически идентичен процес-сам переваривания и фагоцитоза, 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 активных, выбрасываемых в кровь натуральными
макрофагами после переработки патогенных микробов. Кроме того, искусственные фагоциты
будут в 100_1000 раз меньше по объему. Каким образом нанороботы будут взаимодействовать
между собой? Так же, как “общаются” друг с другом триллионы клеток в человеческом
теле: посредством сложных молекул, находящихся на их внешних мембранах. Эти молекулы
действуют как химические “сигнальные флаги” для того, чтобы обратиться 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 разработанные чертежи разных нанороботов.
Но талантливые конструкторы нанороботов есть и у нас. Мы остановимся на описании
устройства основных систем медицинского наноробота, предложенного главным ана-литиком
компании Nanotechnology News Network Юрием Свидиненко. Но сначала ответим на вопрос:что
должен “уметь” наноробот и какие подсистемы ему для этого понадобятся?
Во_первых,
он должен перемещаться по кровеносной системе человека, то есть обладать мощной
двигательной
системой.
Во_вторых, устройству необходимо иметь несколько
типов различных сенсоров
для мониторинга окружающей среды, навигации и коммуникации.
В_третьих, нанороботу нужна транспортная система, доставляющая вещества от хранилищ к наноманипуляторам и обратно.
В_четвертых, для работы с пораженными структурами
устройство должно быть оборудовано набором различных телескопических наноманипуляторов. В_пятых, необходимы приемо-передающие
устройства, позволяющие 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 модель медицинского
наноробота общего применения. В идеальном случае это устройство будет способно “ремонтировать”
поврежденные
клетки; производить диагностику и лечение раковых заболеваний и картогра-фировать
кровеносные сосуды;производить анализ ДНК с последующей ее корректировкой;
уничтожать
бактерии, вирусы, и т. п. На рисунках представлен предполагаемый вид такого наноробота,
выполненного из алмазоида. Электромагнитные волны, которые смогут распростра-
няться
в теле человека не затухая, будут по длине волны сравнимы с нанороботом. Поэтому
его антенны будут иметь вид диполей, выступающих за пределы корпуса.
Рис 204. Медицинский наноробот общего применения
Рис 205. Основные блоки медицинского наноробота
Наноманипуляторы, механические захваты и жгутики
должны быть телескопическими и при необходимости должны убираться в корпус робота,
чтобы он мог лучше передвигаться в крове-носном 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
активность лейкоцитов и меньше адсорбируют фибриноген. Поэтому можно надеяться,
что такое покрытие будет иметь очень низкую биоактивность и внешняя оболочка роботов
будет химически 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 челове-ческого мозга, составляющей ~1013 операций в секунду.
Так что этот наноробот не будет обладать искусственным
интеллектом,что говорит в пользу его надежной “управляемости”.
Рис 207. Сенсорная и обрабатывающая подсистема
Рис 208. Транспортная подсистема
Рассмотрим конструкцию отдельных подсистем
наноробота: Для связи нанороботов друг с другом, а также для формирования навигационной
системы полезно будет использовать еще один тип нанороботов – коммуноцитов, которые будут работать в виде усилительных станций.
Как медицинские
нанороботы будут производить лечение? Возможно, порцию нужных нано-роботов можно
будет выпить в виде таблетки или сделать инъекцию с помощью обычного шпри-ца. Попадая
в кровь, нанороботы распределятся в своеобразную сеть и направятся к повреж-денным
клеткам.
Если повреждение слишком велико, наноробот
должен будет проникнуть внутрь клетки (например, с помощью телескопических манипуляторов)
и выпустить из своих “запасов” фермен-ты, запускающие механизм клеточного апоптоза.
Если же “рана” клетки не слишком велика-нанороботы делают инъекцию других ферментов,
которые должны способствовать вос-становлению ДНК и возвращению клетки к нормальной
работе. Такие целебные ферменты уже известны, нужно лишь научиться доставлять их
точно в цель.
Рис 209. Наноробот ремонтирует клетку
На рисунке изображен наноробот, ремонтирующий
клетку in vivo. “Отработав”, нанороботы покинут тело обычным биологическим путем,
а часть из них может остаться в организме на
постоянное
“дежурство”.
Нетрудно догадаться, что одной из главных задач,
решению которой призваны служить наномедицинские роботы, является достижение человеческого
бессмертия. Мы стареем и умираем оттого, что стареют и погибают клетки нашего тела,
а благодаря молекулярным роботам, предотвращающим старение клеток, перестраивающим
и “омолаживающим” ткани организма, можно будет достигнуть бессмертия человека, не
говоря уже об излечении безнадежно больных людей.Что же касается проблемы выхода
нанороботов из_под контроля и их безудержной саморепликации, то, по словам Фрайтаса,
такая ситуация исключена, поскольку роботов будут делать за пределами организма,
а потом вводить и выводить их по мере необходимости. Если же какой_то наноробот
и останется внутри, то функция самокопирования у него будет отключена: “Ни один
серьезный ученый никогда не предложит ввести в организм репликаторов, – заявил Фрайтас.
– Мы и так уже имеем вирусы, бактерии и других паразитов, которые могут копироваться
внутри нас, и это достаточно неприятно. Зачем нам их еще больше?”
В заключение напомним, что описанные наномедицинские
проекты – пока что не более чем теория, нуждающаяся в детальном анализе, и для создания
подобных медицинских нано-роботов, по прогнозам самих ученых, потребуется еще как
минимум 30_40 лет.
|
|
