Sel aastal RUSNANOPRIZE auhinna saanud Ameerika keemik Chad Mirkin rääkis RIA Novostile, kuidas tema nanoosakesed avavad geneetilise meditsiini ajastu, tasandavad naiste näokortse ja ravivad meid vähist ning jagas ka oma mõtteid, kuidas kui nanomasinad võivad maailma hävitada.
Chad Mirkin on üks juhtivaid Ameerika keemikuid, kes on seotud sfäärilistest DNA molekulidest ja DNA või RNA kombinatsioonidest metallide ja muude anorgaaniliste ainetega kokku pandud nanoosakeste väljatöötamisega. Lisaks "orgaanilisele" nanotehnoloogiale töötab Mirkin aktiivselt nanostruktuuride "printimiseks" vajalike tehnoloogiate väljatöötamisel, mida saab kasutada elektroonika ja optiliste seadmete tootmiseks.
Mirkinit peeti üheks peamiseks kandidaadiks 2013. aasta Nobeli keemiauhinnale ning teda on varem nimetatud ka RUSNANOPRIZE auhinnale, mida RUSNANO on välja andnud alates 2009. aastast teaduse ja tehnika arendamise või nanotehnoloogia valdkonna leiutiste eest, mis on juba masstootmisse sisse viidud.
Tšaad, geneetikud satuvad GMOde või geeniteraapia väljatöötamisel sageli terava sotsiaalse tõrjutuse alla, kuid nanotehnoloogial üldiselt ja teie välja töötatud sfäärilistel DNA molekulidel põhinevatel nanoosakestel seda probleemi pole. Miks see juhtub?
- Minu arvates on nanoosakeste loomisel ja geneetiliselt muundatud toodete väljatöötamisel põhimõtteline erinevus. Nanoosakeste omaduste ja tekke uurimine kuulub ennekõike keemiliste uuringute hulka, neid võib nimetada uute ja kasulike omaduste otsimise tulemuseks mõnes struktuuris, mida looduses ei eksisteeri või mis on tehtud miniatuurimise tulemuseks, kasutades nende loomiseks mitmesuguseid meetodeid.
Näiteks muudavad kõik materjalid miniatureerimisel oma omadusi. Eriti kuld kaotab kuldse värvi ja muutub nanoskaalas punaseks. Just seetõttu on nanotehnoloogia meie jaoks nii huvitav. Kõiki neid nanoskaalale üleminekul tekkivaid erinevusi saab kasutada uute, seni nägemata tehnoloogiate väljatöötamiseks.
Teiselt poolt on DNA redigeerimine rakendatud globaalselt, läbi konkreetsete biokeemiliste protsesside, mille tagajärjed on väga selgelt määratletud ja mis muudavad igavesti elusorganismide tööd. See tekitab eetilisi dilemmasid ja äratab reguleerijate ning selliste kogemuste pikaajaliste tagajärgede pärast muret tundvate inimeste tähelepanu.
Muidugi on inimesi, kes kardavad nanotehnoloogia edasiarendamist, kuid ülaltoodud põhjustel on äärmiselt keeruline (ja meie jaoks ebaaus) viia kõik nanoosakesed ühesuurustesse ja teha üheselt mõistetavaid "järeldusi", et absoluutselt kõik nanotehnoloogiad on definitsiooni järgi halvad. Kui järele mõelda, võib „nanotehnoloogia“mõiste hõlmata peaaegu kõike, mida teadus on viimastel aastatel loonud. Veelgi enam, kui vaadata lihtsalt "tavalist" keemiat, siis see toimib molekulidega, mille mõõtmed on väiksemad kui need struktuurid, mida me nimetame nanomaterjalideks.
Reklaamvideo:
Näiteks pole see, mida me oleme loonud, rangelt öeldes nanoosakesed, vaid, nagu mulle meeldib neid nimetada, "sfäärilised nukleiinhapped", uut tüüpi nanostruktuurid, mille loome, asetades lühikese DNA ja RNA molekulid kindla kuju ja kujundusega mallidele. … Neil pole looduslikke ekvivalente, kuid samal ajal suhtlevad nad elusaine ja rakkudega äärmiselt ebatavalisel ja, mis veelgi tähtsam, kasulikul viisil. Võib öelda, et see on keemia, bioloogia ja nanotehnoloogia võidukas sulandumine.
Selliseid nanoosakesi saab kasutada paljude probleemide lahendamiseks - neid saab kasutada rakkudesse toimetamiseks, vähi ravimiseks ja selle rakkude parandamiseks, haiguste diagnoosimiseks ja muuks. Muidugi saate neid kahjude jaoks kohandada, kuid Loodeülikoolis me seda ei tee.
Teid on juba varem nimetatud üheks Nobeli preemia kandidaadiks ja sel aastal pälvis see auhinna ühe peamise avastuse eest nanotehnoloogia valdkonnas. Kas te ei arva, et teid on vääramatult unustatud?
- Tegelikult määrati tänavu preemia avastuse eest, millel pole midagi pistmist meie uurimistööga - selle sai muuhulgas üks mu ülikooli kolleeg Fraser Stoddart. Feringa, Savage ja Stoddart töötasid molekulaarsete masinate loomise nimel - mehaaniliste rootorite ja lülitite äärmiselt toored miniatuursed analoogid, mis on võimelised täitma samu ülesandeid kui tavalised masinad, kuid nanoskaalas.
Võime öelda, et "Nobeli preemia" pälvis nanotehnoloogia, kuid peate mõistma, et see teadusvaldkond on väga lai ja hõlmab väga erinevaid probleeme, alates keskkonnakaitsest, meditsiinist ja lõpetades energia ja elektroonikaga. Sel juhul on need nanotehnoloogiad väga kaugel sellest, mida me teeme.
Kui räägime Nobeli preemiast, siis ei oska ma midagi öelda - see ei ole minu eesõigus otsustada, kes selle saama peaks, laske seda teha Nobeli komitee ekspertidel.
Üks tänavustest auhinnavõitjatest Ben Feringa usub, et nanomasinad ei ohusta tõenäoliselt kunagi inimkonda. Mis on teie arvamus selles küsimuses, millele inimesed nanotehnoloogia ohtudele mõeldes kõigepealt mõtlevad?
- Jällegi, kui pöörate tähelepanu sellele, mida nad tänavu Nobeli preemia andsid, näete, et see anti väga põhjaliku avastuse eest. Ma arvan, et oleme nüüd nanotehnoloogia keemilise evolutsiooni väga varajases staadiumis, mis on kuulsas "halli goo" stsenaariumis kirjeldatud masinate võimalustest väga kaugel.
Tegelikult on juba idee, et masinad saavad kontrolli alt väljuda ja mässata, puhas ulme, millel pole midagi pistmist teadusega. Ma arvan, et see jääb ilukirjanduse raamidesse veel kauaks. See, millega me täna koos töötame ja mille kallal töötame, pole üldse sarnane sellega, mida on vaja sellise „maailmalõpu“stsenaariumi jaoks.
Masinad, mille Feringa ja tema kolleegid on loonud, on väga skemaatilised ega sarnane sugugi "nanoterminaatoritega", millega ulmekirjanikud meid hirmutavad. Meil on veel vähemalt aastakümneid, kui mitte sajandeid, enne kui selline stsenaarium tõsise arutelu objektiks saab.
Millistes nanotehnoloogia valdkondades ootate lähiajal kõige märkimisväärsemaid läbimurdeid?
- Meie nanosfäärilisi nukleiinhappeid kasutatakse ja kasutatakse juba mitmesugustel eesmärkidel ning paljudes teaduse, meditsiini ja tööstuse harudes. Neid kasutatakse meditsiinis juba diagnostikaks - näiteks oleme loonud DNA “kasukaga” kaetud kullatuumadega nanoosakesed, mida kasutatakse siltidena ülitäpsete haiguste ja erinevate bioloogiliste molekulidega seotud DNA, valkude ja muude biomolekulide otsimisel. - "sihtmärgid".
Selliseid osakesi saab kasutada sülje, vere- või uriiniproovide kiireks analüüsimiseks ning mitmesuguste viiruste, bakterite või isegi geneetiliselt määratud haiguste otsimiseks nendest. Seda kõike, rõhutan, kasutatakse juba praktikas.
Tulevikus ootab meid rohkem - loome õõnsad DNA nanoosakesed, mis on täidetud ravimite või mõne muu rakkudesse tungiva ainega, mida tavalised DNA ja RNA molekulid ei suuda. Selliseid nanoosakesi võib näiteks lisada nahakreemile ja kasutada üle 200 DNA lagunemisega seotud nahahaiguse raviks. Samamoodi võime võidelda koliidi, silma-, põie- või kopsuhaiguste vastu. Geneetilise meditsiini ajastu on saabumas.
Siinkohal tasub mõista, et selles valdkonnas edukaks toimimiseks on vaja kolme asja. Esiteks peate suutma valmistada RNA ja DNA molekule ning me oleme selle ülesandega juba 30 aastat head tööd teinud. Teiseks peate mõistma, miks teatud geenide mutatsioonid põhjustavad haigusi. See probleem lahenes 2000. aastate alguses, kui inimese genoomi dekodeerimine lõpetati.
Kolmas asi puudus aga kuni viimase ajani - võime viia DNA ja RNA nendesse kudedesse ja elunditesse, kuhu nad peaksid minema. Ja selgus, et nanoosakesed on selle probleemi lahendamiseks kõige mugavam ja usaldusväärsem viis. Meie sfäärilised nukleiinhapped suutsid rakkudesse tungida sama hõlpsalt kui ükski teine retroviirus.
Nüüd on meil võimalus suunata DNA meid huvitavatesse elunditesse, mitte ainult maksa, nagu varem, ja see avas meie jaoks varem mõeldamatu väljavaate geeniteraapias. Me ei vaja isegi ravimi selektiivsust, kuna võime otse DNA-d süstida sinna, kuhu vajame, ja mitte läbi kogu keha.
Teie üks kuulsamaid avastusi on kristallide loomine DNA-st. Kas olete leidnud selliste struktuuride jaoks tööstuslikku rakendust või on see siiani põhiline avastus?
- DNAst pärinevad kristallid on üks huvitavamaid asju, mida oleme suutnud luua. Kui oleks olemas nanotehnoloogia "Nobeli preemia", siis oleks minu arvates nende tootmise metoodika seda kõige rohkem väärt.
Meid huvitasid need kristallid juba 1996. aastal meditsiinist ja bioloogiast kaugel põhjustel. Testisime tol ajal uut kontseptsiooni, väites, et nanoosakesi võib pidada omamoodi kunstlikeks aatomiteks ja DNA toimis sel juhul omamoodi programmeeritavate "subatomaalsete" osakestena, mille põhjal nanoosakesed, "aatomid", mille keemilised omadused määrati. oleks nende pinnal DNA molekulid.
Selliste nanoosakeste omaduste paindlikkus võimaldas meil kavandada sõna otseses mõttes antud struktuuriga kristalle, ühendades need subnanomeetri täpsusega aatomi aatomi, sealhulgas luues sellised kristallvõred, mille analooge looduses pole. Aastate jooksul oleme loonud nendest restidest 500 erinevat versiooni, millest kuus on täiesti kunstlikud. See sillutab teed materjalide omaduste ja kunstlike kristallmaterjalide lõputu mitmekesisuse täielikuks kontrollimiseks.
Nende praktilise rakendamise seisukohalt liigume ikkagi ainult selles suunas. Esimesed nendel kristallidel põhinevad katalüsaatorid ja optilised seadmed ilmuvad minu arvates umbes 10 aasta pärast. On oluline, et ja nagu moodsa elektroonika puhul, mille loomine oli võimatu ilma räni monokristallide tootmise võimaluseta, avab DNA kristallide loomine tee uuele tehnoloogiaklassile.
Kui rääkisite nanosfääride loomisest DNA molekulidest, märkisite, et neid saab kasutada mitmel eesmärgil, sealhulgas kortsude silumiseks. Kas kosmeetikaettevõtted olid sellest arengust huvitatud?
- Jah, paljud ettevõtted on juba sfääriliste DNA molekulide rakendamise vastu huvi tundnud. Kosmetoloogia seisukohalt on nanoosakeste potentsiaal peaaegu piiramatu - nende abiga saame muuta naha elastsemaks, eemaldada tumedad laigud, puhastada rakud pigmendimolekulidest ja panna naha nende tootmine lõpetama ning lahendada ka palju muid probleeme.
Kuid siin on suur probleem - pole selge, kuidas pädevad asutused selliste toodete ohutust hindavad ja reguleerivad, kuna nad saavad samaaegselt lahendada nii farmaatsia- kui kosmeetikaprobleeme. Kes nende kontrollimise eest vastutab ja kuidas seda tehakse - pole veel selge.
Lisaks on ettevõtluse arendamise seisukohast ja lihtsalt inimese ühisest seisukohast lähtuvalt DNA-st nanoosakestel põhineva kosmeetika väljatöötamine teisejärguline ülesanne võrreldes vähi ja geneetiliste haiguste vastaste vaktsiinide loomisega, mille vastu ootavad sajad tuhanded ja miljonid inimesed ravi.
Viimastel aastatel on teadlased kirjutanud sadu, võib-olla tuhandeid artikleid, mis on pühendatud järgmistele "tuleviku materjalidele" - näiteks plasmoonid või DNA origami. Aja jooksul elevus vaibus, kuid me pole veel nähtavaid tulemusi näinud. Miks see juhtub?
- Tegelikult ei ütleks ma, et kõik need tehnoloogiad on aurustunud või kadunud - vähemalt plasmonikutes jätkatakse teadustööd, origami kohta ilmub aeg-ajalt väljaandeid, kuigi tehnoloogilisi väljavaateid siin ei paista olevat. Lühiajaliselt näivad mõlemad materjalid olevat ainult alusuuringute objekt.
Siinkohal tasub meenutada laseri leiutamise ajalugu. Kui füüsikud lõid esimesed laserid, ütles keegi, et "see on huvitav avastus, mis ootab endiselt praktilist rakendamist". Tänapäeval võib lasereid leida kõikjalt - lasereid on igas supermarketis, neid kasutatakse operatsioonide ajal kudede õmblemiseks ja lõikamiseks ning neid on igas arvutis ja sidesüsteemis.
Teisisõnu, sageli pärast põhjalikku avastust ei möödu isegi nädalaid ega kuid, vaid aastakümneid, enne kui see leiab oma praktilise ja kaubandusliku rakenduse.
