Жить и нежить

Технологии, построенные на базе «одноразовых» и «многоразовых» искусственных молекулярных структур, по оценкам ряда специалистов, способны привести к созданию новых индустриальных направлений и отраслей, суммарный финансовый оборот которых значительно превысит весь оборот сегодняшней промышленности.

Однажды, когда я еще учился в школе, мне в руки попала научно-популярная книга, где рассказывалось о вирусах (не компьютерных — обычных). Там было множество иллюстраций, среди которых наибольшее впечатление произвели фотографии так называемого фага № 1 Bac. Mycoides. Удивление вызывало то, что крошечный, видимый лишь в электронный микроскоп вирус напоминал рисунки художников-фантастов, изображающие автоматические устройства для исследования далеких планет. Граненый контейнер, хранящий вирусную ДНК, цилиндрическим «переходным отсеком» соединяется с гибким, способным сокращаться «шлангом», внутри которого помещается трубка-игла, предназначенная для прокалывания оболочки атакуемой клетки и введения в нее ДНК вируса. «Шланг» заканчивается сложнейшим «посадочным модулем», включающим в себя несколько членистых «ног», каждая из которых снабжена «устройством» фиксации на поверхности клеточной мембраны. Размеры устройства таковы, что функции отдельных его составных частей выполняют крупные молекулы белка. Их «конструкция» идеальна с точки зрения выполнения ими своих функций.

Это был первый наноробот, который я увидел на фотографии. Больше всего убеждало, что это была именно фотография, а не чья-то выдумка. Это — реальность. Значит, нечто подобное можно изготовить искусственно! Помню, какой восторг я испытал тогда. Вот чем стоит заниматься1!

Много позднее я узнал, сколь сложна задачка. Ведь до сих пор не существует ни одной методики инженерного проектирования молекулярных структур. Их еще предстоит создать. В лабораториях наработано множество способов исследования состава и строения молекул, имеется ряд технологий тонкого синтеза, но, во-первых, мы не знаем, как от нужных нам функций молекулы перейти к ее структуре, а во-вторых, никто пока не придумал, как выстроить молекулу, если речь идет о ее пространственной структуре.

Определенную трудность создают стереотипы мышления и отсутствие междисциплинарного подхода. Химики привыкли думать о молекулах как о кирпичиках вещества и исследуют их поведение исключительно с точки зрения или реакционноспособности, или связи свойств вещества с особенностями структуры его молекул. Инженерная братия склонна переносить приемы машиностроительного конструирования в область молекулярных размеров, где эти приемы неэффективны или вообще не работают. Ближе всех к пониманию функционирования естественных (природных) молекулярных «машин» приблизились биологи, но у них традиционно слаба инженерная подготовка. Так или иначе, сегодня, несмотря на огромное количество накопленного фактического материала, область молекулярного конструирования являет собой непаханое поле.

На волне энтузиазма, связанного с работами в этой области, особенно после выхода в 1986 году книги Эрика Дрекслера «Engines of Creations» («Двигатели Созидания»), возникло множество фантазий, выдающих желаемое за действительное. Изящная идея молекулярных ассемблеров (сборщиков), сформулированная Дрекслером, породила вереницу уродливых воплощений (к счастью, лишь на бумаге или в контенте Интернет-сайтов) в формах, отдаленно напоминающих робототехнические комплексы по сборке автомобилей. В основе — сканирующий туннельный микроскоп, возможность применения которого для манипулирования отдельными атомами блестяще продемонстрировали в 1990 году Эйглер и Швейцер из исследовательского подразделения IBM. Собственно, это и есть — перенесение макроскопических инженерных приемов в область масштабов, для которой правильнее всего было бы разрабатывать свои специфические методы.

Дело в том, что сборка молекулы из атомов — совсем не то же самое, что постройка здания из кирпича и стандартных бетонных блоков. Точнее будет сказать, что каждый атом представляет собой сложную квантовомеханическую систему, а сборка молекулы — типичная задача системной интеграции, но на квантовом уровне.

А сколько всего нафантазировано вокруг нанороботов! Их ведь действительно изображают в виде микроскопических «жучков», обозревающих окрестности электронными глазами, действующих под управлением бортового компьютера и снабженных конечностями, приводимыми в движение миниатюрными электродвигателями. Вероятно, такие роботы были бы полезны для каких-нибудь применений, но их габариты никогда не сравнятся с молекулярными. И вот почему.

Молекулы, даже самые крупные, много меньше длины волны видимого света. Иными словами, принципиально невозможно сконструировать оптический орган зрения для микромашины, функционирующей в мире молекул. В этом мире «темно». Не в смысле отсутствия света, а в том смысле, что молекулы «общаются на ощупь». Присутствие друг друга они ощущают через взаимодействие систем электростатических полей сложнейшей пространственной конфигурации. Собственно, именно эти поля управляют также пространственной конструкцией молекулы. И если уж говорить о каких-то приводах или микродвигателях молекулярного робота, то речь пойдет о механизмах формирования структуры распределенного поля, обеспечивающего механическое перемещение элементов его конструкции.

Пару слов стоит сказать и о бортовом компьютере. Не будет там никаких чипов! Присутствие управляющих компьютеров в конструкции современных механизмов обусловлено своеобразным разделением труда: есть силовая конструкция, ее задача — выдерживать эксплуатационные нагрузки; есть источник энергии и приводные двигатели (это отдельные «песни» — плод усилий целых отраслей); и наконец, система управления — датчики, устройство обработки информации, связь и т. п.

В мире молекул действуют иные «стандарты» конструирования. Там «принят» другой подход. Все перечисленные выше функции распределены по всей молекуле. Точнее, структура молекулы, конфигурация полей и система взаимодействия атомов в молекуле обеспечивают такие ее свойства, которые с точки зрения «внешнего наблюдателя» могут быть оценены как работа сложной системы управления, датчиков и приводов. Для перехода на такой уровень конструирования необходима глубокая перестройка инженерного мышления.

Если для примера взять функционирование вышеупомянутого фага № 1 Bac. Mycoides, то можно увидеть, что сложнейшая программа поведения — нащупать клеточную мембрану с подходящим белковым составом (следовательно, проанализировать его), закрепиться на ней, выровнять положение трубки-инжектора, выдать команду на разворачивание вирусной ДНК, включить «привод» сокращения чехла инъектора для прокола клеточной мембраны, включить подачу ДНК, — вся эта программа реализована совокупностью свойств взаимодействующих белковых молекул конструкции вируса. Нет в этой конструкции никаких отдельно «смонтированных» двигателей, датчиков, компьютерных чипов и источников питания.

Собственно, рано или поздно на пути разработки и конструирования молекулярных устройств неизбежно встанет задача создания многоразовых систем, способных после выполнения запрограммированной функции (на что, разумеется, будет потрачена энергия, запасенная, предположим, в структуре — наподобие растянутой пружины) восстанавливать запас энергии — либо за счет питания (взаимодействия с внешними молекулярными структурами, сопровождающегося реакциями с выделением энергии, которая может быть вновь запасена в структуре основной молекулы), либо в процессе усвоения какого-либо вида электромагнитной энергии из окружающего пространства (что-то наподобие процесса фотосинтеза). Такие системы будут обладать способностью неограниченно долго противостоять энтропии и наверняка могут быть отнесены к формам жизни.

Элементарной естественной «живой машиной», как известно, является клетка. Устройство ее, кстати говоря, не обязательно должно быть именно таким, каким мы наблюдаем его в составе «конструкций» живых существ. Ряд функций, например, связанных с размножением, в искусственных клетках может отсутствовать, что не мешает клетке синтезировать необходимые нам сложные вещества. Однако «мимо» задачи создания искусственного аналога клетки как открытой термодинамической системы нам не пройти. Именно искусственная клетка позволит в будущем перейти к построению квазибиологических систем, способных взять на себя функции нынешних машин и механизмов самого различного назначения.

Характерной особенностью машиностроительных технологий на базе использования искусственных клеток, вероятнее всего, станут процессы самосборки изделий, исследованию возможностей которых уделили внимание сотрудники лабораторий Xerox. Математическое моделирование показало, что скорость формирования изделий типа корпусных элементов или композитных блоков может быть такова, что конструкция размером около 1 м будет «самособираться» за три-четыре минуты.

Технологии, построенные на базе «одноразовых» и «многоразовых» искусственных молекулярных структур, по оценкам ряда специалистов, способны привести к созданию новых индустриальных направлений и отраслей, суммарный финансовый оборот которых значительно превысит весь оборот сегодняшней промышленности. Во многом это будет связано с ликвидацией значительной части традиционных производств, товарно-денежные потоки которых уйдут в более рентабельные производства тех же либо аналогичных продуктов, однако получаемых с помощью молекулярных технологий. В первую очередь, эти процессы коснутся фармакологии, затем — производства средств бытовой химии, пищевой и легкой промышленности.

Об авторе: аспирант, 28 лет, специализируется на молекулярных датчиках параметров окружающей среды.