Как мы можем получить огромные преимущества передовых нанотехнологий, избежав при этом их потенциального неправильного использования?
Это был большой вопрос Кристин Петерсон, когда она три десятилетия назад стала соучредителем Института Форсайта, некоммерческого аналитического центра, занимающегося нанотехнологиями. И она говорит, что это до сих пор является ее основным направлением деятельности.
За последнее десятилетие нанотехнологии продвинулись вперед и нашли практическое применение. Некоторые команды разрабатывают наноразмерные модели медицинских имплантатов, которые могут стимулировать рост костных клеток и положительную экспрессию генов. Другие работают над созданием управляемых наночастиц, которые обнаруживают (и даже уничтожают) раковые клетки.
Мечта о наномашинах, путешествующих по вашему телу и восстанавливающих его на клеточном уровне, стала немного ближе благодаря развитию нанодвигателей и наноракет.
Но прежде чем мы доберемся до этого, Петерсон считает, что нанотехнологии принесут и другие интересные результаты. Следующий? Возможно, самоочищающиеся поверхности и нанотехнологические катализаторы, которые собирают парниковые газы и превращают CO2 в химикаты, необходимые для заводов.
Петерсон выступит позже в этом месяце на Глобальном саммите Университета Сингулярности в Сан-Франциско. Прочтите это интервью с Петерсон, чтобы узнать, как, по ее мнению, нанотехнологии могут решить нашу дилемму чистой воды, вылечить рак и какой ее любимый умный объект будущего.
Находятся ли сегодняшние нанотехнологии в обманчивой точке экспоненциальной кривой?
Мне нравится делить нанотехнологию на три этапа: материалы, устройства и системы. Каждый следует своей собственной кривой.
Сейчас мы видим в основном продукты из наночастиц, но они не обладают точностью на молекулярном уровне — они не атомарно точны. Мы все чаще будем видеть материалы, обладающие такой точностью, например, продукты для фильтрации и катализа.
Как только эти продукты появятся на рынке, я думаю, мы увидим, как они взлетят как ракета. Потребность в чистой воде огромна. Спрос на контроль парниковых газов огромен. Тот, кто сможет достичь этих целей первым, должен преуспеть.
В двух предложениях, как бы вы объяснили нанотехнологию незнакомцу на улице?
Природа манипулирует отдельными молекулами для создания самых сложных вещей в мире — растений, животных и наших собственных тел. Цель нанотехнологий — использовать системы молекулярных машин для создания всего, что мы хотим, с таким же уровнем точности и делать это чисто — так же, как это делает природа.
В видеоинтервью 2013 года вы прогнозировали, что достижения нанотехнологий в медицине в ближайшие 10 лет окажут огромное влияние на выявление, визуализацию и лечение рака. Какие достижения в области нанотехнологий за последние несколько лет оказали наибольшее влияние на медицину?
Большие усилия были направлены на использование нанотехнологий для борьбы с раком – сотни миллионов долларов – и эти усилия работают.
Несколько групп, таких как Стэнфордский центр передового опыта в области раковых нанотехнологий, изменяют различные наночастицы, чтобы добиться полезного поведения, например, испускать обнаруживаемый цветовой сигнал при обнаружении раковой клетки или иметь возможность удерживать раковую клетку до тех пор, пока ее не удастся изучить. Или их можно спроектировать так, чтобы при обнаружении раковой клетки высвобождать специальную сигнальную молекулу.
В лаборатории были созданы более необычные реакции, например, когда они поглощают свет, а затем создают акустические вибрации очень малой мощности при обнаружении опухоли или даже выделяют тепло, чтобы убить раковую клетку.
Есть ли конкретные клинические испытания, которые вас больше всего воодушевляют?
Один из моих любимых создан в Стэнфорде компанией MagArray. Они прикрепляют наномагниты к раковым клеткам, а затем обнаруживают их, пропуская образец через чип. Это занимает менее часа и требует минимальной технической подготовки.
Помимо рака, этот метод потенциально может быть применен для мониторинга цитокинов , что полезно для лечения болезни Альцгеймера и аутоиммунных заболеваний.
Конечно, если мы сможем устранить рак – вероятность которого становится все более вероятной – тогда болезнь Альцгеймера станет еще большей проблемой, чем она есть сейчас. Просто вылечить рак уже недостаточно. Мы должны продолжать идти вперед и бороться со всеми хроническими заболеваниями.
Испытываются ли новые «умные материалы» в нанотехнологических устройствах, которые могут вскоре заменить нынешние технологии? Если да, то какие?
Вот пример: мне нравится идея самоочищающихся материалов. Кембриджский университет работает над созданием поверхностей со встроенными наночастицами диоксида титана, которые обладают фотокаталитическим действием . Они используют ультрафиолетовый свет для преобразования грязи на поверхности в углекислый газ и воду. Например, масло в отпечатке пальца на этой поверхности расщепляется за 90 минут.
У многих из нас однажды в теле появится металлический имплантат, но использовать его для этой цели — неестественный материал.
Университет Монреаля и его партнеры придумали способы создания наноразмерных узоров на поверхности таких имплантатов, которые могут увеличить рост костных клеток, уменьшить рост нежелательных клеток, стимулировать стволовые клетки и изменить экспрессию генов в положительную сторону. Удивительный.
Некоторые из этих приложений взяты прямо из научной фантастики.
В Австралии в RMIT и Университете Аделаиды работают над материалами, в которых используются наноразмерные кристаллы, называемые диэлектрическими резонаторами, для передачи или блокирования света по длине волны.
Это может сделать возможными умные контактные линзы, которые изменят то, что мы видим, или даже создать проекционный дисплей, который будет отображать дополнительную информацию в нашем поле зрения.
Наконец-то я смогу «запомнить» имена людей, которых встречал раньше!
Когда вы стали соучредителем Института Форсайта, был ли у вас конкретный источник вдохновения? Какой вопрос в то время вас беспокоил?
Большим вопросом тогда было: как нам получить огромные преимущества передовых нанотехнологий, избегая при этом потенциального неправильного использования?
Мы хотели ускорить достижение передовых медицинских и других полезных применений и препятствовать наступательным военным применениям. Понимание возможностей нанотехнологий для улучшения здоровья прошло долгий путь, но из-за нормативных ограничений их использование в медицинских целях является долгосрочным проектом.
Сравните это с военным использованием: военные часто начинают осваивать новые технологии на ранней стадии, а военное применение, как правило, сравнительно хорошо финансируется.
Объедините эти тенденции, и станет ясно, почему трудно ускорить медицинское применение этой технологии, одновременно препятствуя наступательным военным применениям. Итак, мы все еще работаем над этой первоначальной задачей.
На дворе 2025 год, как нанотехнологии улучшают окружающую среду?
Примерно в то же время или раньше могут появиться два больших достижения. Во-первых, мы можем решить проблему с водой, используя молекулярно точную фильтрацию. Эту технологию сейчас разрабатывает частная компания AguaVia при поддержке Министерства энергетики и Национального научного фонда.
Во-вторых, мы можем очистить воздух от загрязнения, включая парниковые газы, с помощью нанотехнологических катализаторов, которые удаляют CO2 из воздуха и перерабатывают его в химические вещества, которые мы можем использовать в промышленности. Кристиан Шафмейстер из Университета Темпл занимается этой работой.
Практически любая экологическая проблема, о которой вы только можете подумать, потенциально может быть решена с помощью передовых нанотехнологий. Именно эта мечта о восстановлении окружающей среды изначально привлекла меня в эту область несколько десятилетий назад, и приятно видеть, что она начинает приносить плоды.
Какие основные препятствия нам необходимо преодолеть, чтобы достичь этого через 10 лет?
Обе эти перспективы явно приближаются. Вопрос только в том, когда.
Нам необходимо вкладывать больше ресурсов в исследования и разработки. Талант есть; идеи есть; теперь все дело в финансировании.
О каком «умном объекте» будущего вы мечтаете?
Один из них, который я хотел бы упомянуть в своих выступлениях, полезен в качестве мысленного эксперимента.
Представьте себе стул, но сделанный из систем молекулярных машин. Эти машины можно трансформировать в другую форму, например в стол. Теперь, сколько времени потребуется, чтобы изменить форму с одной на другую?
Вы можете провести этот эксперимент самостоятельно, потому что вы тоже состоите из систем молекулярных машин.
Представьте, что вы приседаете в форме стула, а затем опускаетесь на четвереньки в форме стола. Это занимает меньше секунды. Это максимальное время, которое понадобится стулу, изготовленному с помощью передовых нанотехнологий, чтобы превратиться из стула в стол. Вероятно, это было бы быстрее, если бы это было целью дизайна.
Но умным объектом моей мечты будущего должна стать предлагаемая «машина восстановления клеток», способная передвигаться по телу и выполнять общий ремонт ДНК, белков и других молекул.
Такая машина не была бы простым объектом. Для этого потребуется множество съемных инструментов, которые можно будет заменять и вынимать по мере необходимости. Но это принесет нам возможность сначала анализировать, а затем в конечном итоге решать любые физические проблемы, с которыми сталкивается наш организм, включая старение.
По мере развития науки и технологий мир все больше становится похожим на научную фантастику, и передовые нанотехнологии, безусловно, являются важным фактором в этом направлении.
