Химик: «восстание наномашин» нам не грозит еще столетие
Американский химик Чад Миркин, получивший премию РОСНАНО RUSNANOPRIZE в этом году, рассказал РИА «Новости» о том, как его наночастицы откроют век генетической медицины, разгладят морщины на лице женщин и вылечат нас от рака, а также поделился своими мыслями о том, когда наномашины смогут уничтожить мир.
Чад Миркин — один из ведущих американских химиков, занимающихся разработкой наночастиц, собранных из сферических молекул ДНК и комбинаций ДНК или РНК с металлами и прочей неорганической материей. Помимо «органических» нанотехнологий, Миркин активно работает над разработкой технологий «печати» наноструктур, при помощи которых можно изготовлять электронику и оптические приборы.
Миркин считался одним из основных претендентов на Нобелевскую премию по химии 2013 года, а также уже номинировался в прошлом на премию RUSNANOPRIZE, которую компания РОСНАНО присуждает с 2009 года за научно-технологические разработки или изобретения в сфере нанотехнологий, уже внедренные в массовое производство.
Фото: РИА Новости, Владимир Трефилов
— Чад, генетики часто сталкиваются с острым неприятием общества при разработке ГМО или генной терапии, однако нанотехнологии в целом и наночастицы на базе сферических молекул ДНК, которые вы разработали, не имеют подобной проблемы. Почему так происходит?
— В данном случае, на мой взгляд, существует фундаментальное различие между созданием наночастиц и разработкой генно-модифицированных продуктов. Изучение свойств и создание наночастиц, в первую очередь, относится к числу химических исследований, их можно назвать результатами поисков новых и полезных свойств у каких-то структур, которые не существуют в природе или являются следствием миниатюризации, используя самые разные методы их создания.
К примеру, все материалы меняют свои свойства при миниатюризации. Золото, в частности, теряет свой золотой цвет и становится красным на наномасштабах. Это именно то, почему нанотехнологии столь интересны нам. Все эти различия, возникающие при переходе на наноуровень, можно использовать для разработки новых, ранее невиданных технологий.
С другой стороны, редактирование ДНК было реализовано на глобальном уровне, при помощи конкретных биохимических процессов, последствия работы которых определены очень четко и которые навсегда меняют то, как работают живые организмы. Это создает этические дилеммы и привлекает внимание регулирующих органов и людей, обеспокоенных долгосрочными последствиями таких опытов.
Конечно, есть люди, которые опасаются дальнейшего развития нанотехнологий, но по вышеозначенным причинам им крайне сложно (и нечестно для нас) подвести все наночастицы под одну гребенку и сделать однозначные «выводы» о том, что абсолютно все нанотехнологии являются плохими по определению. Если подумать, в само понятие «нанотехнологии» можно включить почти все, что наука создала за последние годы. Более того, если просто посмотреть на «обычную» химию, то она оперирует молекулами, чьи размеры меньше, чем те структуры, которые мы называем наноматериалами.
К примеру, то, что мы создали, строго говоря, не является наночастицами, а, как я люблю их называть, «сферическими нуклеиновыми кислотами», новым типом наноструктур, которые мы создаем, нанося короткие молекулы ДНК и РНК на шаблоны определенной формы и конструкции. Они не имеют природных эквивалентов, но при этом они взаимодействуют с живой материей и клетками крайне необычным, и что важно, полезным образом. Можно сказать, что они являются триумфальным слиянием химии, биологии и нанотехнологий.
Такие наночастицы можно использовать для решения массы проблем — их можно применять для доставки лекарств в клетки, излечения рака и починки его клетки, диагностики заболеваний и прочих вещей. Конечно, можно приспособить их и для причинения вреда, но это не то, чем мы занимаемся в Северо-Западном университете.
— Вас уже называли в качестве одного из кандидатов на Нобелевскую премию в прошлом, и в этом году ее присудили за одно из ключевых открытий в области нанотехнологий. Не считаете ли вы, что вас незаслуженно забыли?
— На самом деле, премия в этом году была присуждена за открытие, которое никак не касается наших исследований — ее получил, в том числе, один из моих коллег по университету, Фрейзер Стоддарт. Феринга, Саваж и Стоддарт работали над созданием молекулярных машин — крайне грубых миниатюрных аналогов механических роторов и переключателей, способных исполнять те же задачи, что и обычные машины, но на наноуровне.
Можно говорить, что «нобелевка» досталась нанотехнологиям, однако нужно понимать, что эта область науки очень широка и включает в себя очень широкий спектр проблем, начиная с защиты окружающей среды, медицины и заканчивая энергетикой и электроникой. В данном случае эти нанотехнологии очень далеки от того, чем мы занимаемся.
Если говорить о Нобелевской премии, то я ничего не могу сказать — это не моя прерогатива решать, кто ее должен получить, пусть этим занимаются эксперты Нобелевского комитета.
— Один из лауреатов премии этого года, Бен Феринга, считает, что наномашины вряд ли будут когда-либо грозить человечеству. Ваше мнение по этому вопросу, о котором люди думают в первую очередь, думая об опасностях нанотехнологий?
— Опять же, если обратить внимание на то, за что дали Нобелевскую премию в этом году, можно заметить, что она была присуждена за очень фундаментальное открытие. Я думаю, что мы сейчас находимся на самой ранней стадии химической эволюции нанотехнологий, которая крайне далеко отстоит от возможностей тех машин, которые описываются в знаменитом сценарии «серой слизи».
На самом деле, сама мысль о том, что машины могут выйти из-под контроля и восстать, является чистым плодом научной фантастики, которая не имеет ничего общего с наукой. Я думаю, что она будет оставаться в рамках художественной литературы еще долгое время. То, с чем и над чем мы сегодня работаем, совсем не похоже на то, что нужно для подобного сценария «конца света».
Те машины, которые создали Феринга и коллеги, очень схематичны и совсем не похожи на «нано-терминаторов», которыми нас пугают фантасты. У нас, как минимум, еще есть десятилетия, если не столетия до того, когда подобный сценарий станет предметом серьезных дискуссий.
— В каких областях нанотехнологий вы ожидаете самый значительный прорыв в ближайшем будущем?
— Наши наносферические нуклеиновые кислоты будут использоваться и уже используются для самых разных целей и в самых разных отраслях науки, медицины и промышленности. Их уже используют для ведения диагностики в медицине — к примеру, мы создали наночастицы с ядрами из золота, покрытые «шубой» из ДНК, которые используются в качестве меток для сверхточного поиска определенных сегментов ДНК, белков и других биомолекул, связанных с болезнями и различными био-«мишенями».
Такие частицы можно использовать для экспресс-анализа образцов слюны, крови или мочи и поиска в них различных вирусов, бактерий или даже генетически обусловленных болезней. Все это, подчеркиваю, уже используется на практике.
В будущем нас ждет большее — мы создаем полые наночастицы из ДНК, заполненные лекарством или каким-то другим веществом, которые могут проникать в клетки, что не могут сделать обычные молекулы ДНК и РНК. Такие наночастицы, к примеру, можно добавить в крем для кожи, и использовать их для лечения свыше 200 болезней кожных покровов, связанных с поломками в ДНК. Аналогичным образом мы можем бороться с колитом, болезнями глаз, мочевого пузыря или легких. Наступает эра генетической медицины.
Здесь стоит понимать, что для успеха в этой области нужно три вещи. Первое, нужно уметь делать молекулы РНК и ДНК, и с этой задачей мы неплохо справляемся уже 30 лет. Второе, нужно понимать, почему мутации в тех или иных генах вызывают болезни. Эта задача была решена в начале 2000 годов, когда был завершена расшифровка генома человека.
Однако третья вещь отсутствовала до недавнего времени — умение вводить ДНК и РНК в те ткани и органы, куда они должны попасть. И оказалось, что наночастицы являются самым удобным и надежным способом для решения этой задачи. Наши сферические нуклеиновые кислоты оказались способны проникать в клетки так легко, как это не удавалось сделать ни одному ретровирусу.
Теперь у нас появилась возможность точечно вводить ДНК в те органы, которые нас интересуют, а не только в печень, как раньше, и это открыло для нас немыслимые ранее перспективы генной терапии. Нам даже не нужна избирательность действия лекарства, так как мы можем напрямую вводить ДНК туда, куда нам нужно, а не проходить через весь организм.
— Одно из ваших самых известных открытий — создание кристаллов из ДНК. Нашли ли вы какое-либо промышленное применение подобным конструкциям, или пока это открытие фундаментального уровня?
— Кристаллы из ДНК — одна из самых интересных вещей, которую нам удавалось создавать. Если «нобелевка» по нанотехнологиям существовала, то методика их изготовления, на мой взгляд, была бы больше всего достойна ее.
Мы заинтересовались этими кристаллами в далеком 1996 году по причинам, далеким от медицины и биологии. Мы проверяли новую на то время концепцию, гласящую, что наночастицы можно рассматривать в качестве своеобразных искусственных атомов, и ДНК в таком случае выступала в качестве своеобразных программируемых «субатомных» частиц, на базе которых можно создавать наночастицы-«атомы», чьи химические свойства определялись бы молекулами ДНК на их поверхности.
Гибкость свойств таких наночастиц дала нам возможность в буквальном смысле проектировать кристаллы с заданной структурой, собирая их поатомно с субнанометровой точностью, в том числе создавая и такие кристаллические решетки, аналоги которых не существуют в природе. За минувшие годы мы создали 500 различных вариантов таких решеток, шесть из которых являются полностью искусственными. Это открывает дорогу для полного контроля над свойствами материалов и бесконечному разнообразию искусственных кристаллических материалов.
С точки зрения их практического применения, мы пока только движемся в эту сторону. Первые катализаторы и оптические устройства на базе этих кристаллов, на мой взгляд, появятся примерно через 10 лет. Важно, что и как в случае с современной электроникой, создание которой было невозможно без умения изготовлять монокристаллы кремния, создание ДНК-кристаллов открывает дорогу для нового класса технологий.
— Когда вы говорили о создании наносфер из молекул ДНК, вы заявляли, что их можно использовать для самых разных целей, в том числе и для разглаживания морщин. Интересовались ли этой разработкой косметические компании?
— Да, многие компании уже проявляли интерес к данному варианту применения сферических молекул ДНК. С точки зрения косметологии потенциал наночастиц почти не ограничен — при их помощи мы можем делать кожу более эластичной, удалять темные пятна, очищая клетки от пигментных молекул и заставляя кожу прекратить их производство, а также решать массу других задач.
Но здесь есть большая проблема — непонятно, как будет оцениваться безопасность таких продуктов и регулироваться компетентными органами, так как они одновременно могут решать и фармацевтические, и косметические задачи. Кто будет отвечать за их проверку, и как она будет производиться — пока не ясно.
Вдобавок, с точки зрения развития бизнеса и просто с общечеловеческой точки зрения, разработка косметических препаратов на базе наночастиц из ДНК является второстепенной задачей по сравнению с созданием вакцин от рака и генетических болезней, избавления от которых ждут сотни тысяч и миллионы людей.
— За последние годы ученые написали сотни, может быть тысячи статей, посвященных очередным «материалам будущего» — к примеру, плазмонам или ДНК-оригами. Со временем, ажиотаж стих, но никаких видимых результатов мы пока не наблюдаем. Почему так происходит?
— На самом деле, я бы не сказал, что все эти технологии испарились или исчезли — исследования продолжаются, по крайней мере, в плазмонике, публикации время от времени появляются и по оригами, хотя здесь никаких технологических перспектив, похоже, нет. В краткосрочном периоде, оба этих материала, похоже, будут только предметом фундаментальных исследований.
Здесь стоит вспомнить историю изобретения лазера. Когда физики создали первые лазеры, кто-то сказал, что «это интересное открытие, которое только еще ожидает своего практического применения». Сегодня лазеры можно встретить повсеместно — лазеры есть в каждом супермаркете, они используются для сшивания и разрезания тканей при операциях, и есть в каждом компьютере и системе связи.
Иными словами, часто после фундаментального открытия проходят даже не недели или месяцы, а десятилетия, прежде чем оно находит свое практическое и коммерческое применение.
