Глава 17. Слияние био-нано-информационных технологий

 Глава 17. Слияние био-нано-информационных технологий

Чин Мин Xo, Дин Xo, Дан Гарсия

Чин Мин Хо является профессором Калифорнийского университета (UCLA) и одновременно директором Института исследований миметики клеток (Institute for Cell Mimetic Space Exploration, CMISE). Он окончил Национальный университет Тайваня, после чего сделал блестящую научную карьеру в США, где стал одним из наиболее авторитетных специалистов в области МЭМС, наногидродинамики и био-нанотехнологий. Профессор Хо является автором более 200 публикаций и обладателем 7 патентов. Он имеет множество почетных званий и является членом самых авторитетных научных организаций, включая Американское физическое общество. Он известен также своей плодотворной деятельностью по координации научных усилий различных стран (Франция, Китай, Израиль, Тайвань, Япония) в области нанотехнологий и микротехники. Неоднократно организовывал различные международные конференции по указанной тематике.

Дин Хо работает в Калифорнийском университете (UCLA). Он является одним из наиболее известных специалистов в области био-нанотехнологий, обладающим огромным авторитетом в научных кругах, связанных с нанотехнологиями, и имеющим исключительно высокий коэффициент цитируемости работ. Кроме того, Дин Хо известен своей общественной активностью и выступлениями на тему о возможном влиянии нанотехнологий на социальные отношения.

Дан Гарсия сейчас работает над докторской диссертацией в Калифорнийском университете под руководством доктора Чин Мин Хо. Он изучает проблемы использования мышечных белков для создания наноструктур (по принципам снизу вверх и сверху вниз) и их дальнейшего объединения с микроэлектромеханическими устройствами (МЭМС), что должно позволить организовать направленную доставку лекарственных препаратов внутри организма. До этого Дан Гарсия занимался проблемами генной инженерии и иммунной реакции организма при различных заболеваниях и трансплантации тканей.

Микроэлектронная промышленность, возникшая на основе достижений физики твердого тела в конце 1940-х годов, в течение нескольких десятилетий была и остается одной из главных движущих сил экономики США. В 1980-х годах появились первые микроэлектромеханические системы (так называемые МЭМС), показавшие, что новые технологии могут изготавливать механические устройства и изделия с удивительной точностью, недоступной традиционным методам машинной обработки вещества. Например, в 1988 году Фан, Тай и Мюллер[113] сумели создать микроскопический электродвигатель размером около 100 мкм, пользуясь процессами производства МЭМС, основанными на методах изготовления интегральных схем в микроэлектронике. Появление МЭМС в некоторой степени стало знаком «размывания» границ между механикой и электроникой.

Дальнейшее уменьшение размеров устройств до нанометрических масштабов привело к «слиянию» нанотехнологий с биологическими процессами. В частности, когда детали устройств стали близки по размерам к некоторым функциональным макромолекулам (типа ДНК или нуклеиновых кислот) возникла возможность создания совершенно удивительных гибридных механизмов. Например, в работе Сунга и др.[114] описан нанодвигатель, созданный на основе «объединения» митохондриальной АТФазы и металлического наностержня. В этом направлении исследований наблюдается замечательный прогресс, и мы постоянно узнаем о все более неожиданных устройствах исключительно малых размеров. Нанотехнология фактически уничтожает разницу между обычными технологиями и биологическими процессами, создавая новые направления и новую границу исследований и развития.

Целью любых технологический инноваций, включая нанонауку, было и остается улучшение или «обогащение» условий человеческого существования. Нанотехнологии кажутся нам странными лишь потому, что имеют дело с объектами и процессами фантастически малых масштабов (девять порядков разницы величин между метром и нанометром очень трудно представить). Однако, в конечном счете, нанотехнологии изобретаются и должны использоваться людьми, вследствие чего мы обязаны как-то связать эти крошечные масштабы с реалиями человеческой жизни и собственного поведения.

Прежде всего, можно вспомнить, что человеческий организм представляет собой чрезвычайно сложную, самоорганизующуюся, многофункциональную и адаптивную систему, которая развивается и управляется набором некоторых природных процессов, осуществляемых специальными видами молекул (типа ДНК и белков), имеющих именно нанометрические размеры. В изучении и понимании того множества процессов, которые протекают в человеческом организме и определяют его существование, мы очень часто сталкиваемся со сложными проблемами из-за того, что эти процессы имеют самые разные масштабы. Эту идею задолго до возникновения нанонауки, еще в 1972 году выразил П. В. Андерсон в статье, опубликованной в журнале Science: «На каждом уровне сложности системы возникают новые свойства, поведение системы приобретает новые особенности и требует нового исследования. Мне кажется, что изучение каждого уровня сложности имеет фундаментальное значение для понимания природы системы в целом». Строго говоря, нанонаука внесла лишь некоторые дополнительные уровни изучения человеческого организма. Например, нам предстоит еще понять, каким образом клетка может получать, перерабатывать и использовать содержащуюся в ДНК генетическую информацию, используя наномасштабные датчики и «приводы», представляющие собой микроскопические, но весьма сложные, эффективные и автономные «устройства», которые некоторые сравнивают по сложности с целыми заводами.

Человеческому сознанию трудно охватить и оценить все многообразие процессов, происходящих в разных масштабах, отделяющих наномир от привычного нам мира макрообъектов. Еще сложнее представить себе цепочку зависимостей, связывающих процессы на молекулярном уровне с теми конечными свойствами макросистем, которые определяют ценности человеческой жизни. Интеграция отдельных компонент на атомно-молекулярном масштабе, на более высоких уровнях сложности приводит к достаточно сложному поведению, то есть к появлению развивающихся свойств. Это заставляет нас задуматься о том, что в процессах на уровне наномасштабов оказываются объединенными или «слитыми» те характеристики и свойства, которые на более высоких уровнях изучения описываются отдельно биологией, физикой, химией (обобщенно, нанонаукой) и информационными технологиями. Проблема такого слияния наук на наноуровне представляется исключительно важной и может иметь революционное значение для дальнейшего развития науки вообще.

Приступая к коммерциализации нанотехнологий, мы должны значительно углубить наши познания во всех науках, связанных с процессами на атомарно-молекулярном уровне. В течение последних десятилетий мы накопили множество новой информации относительно физических, химических и биологических закономерностей, но нанонаука (как единая дисциплина, объединяющая все эти закономерности) пока находится в зачаточном состоянии. Хочется подчеркнуть, что именно создание такой объединенной науки могло бы стать ключевым моментом в новой «технической революции» и, возможно, осуществление Национальной нанотехнологической инициативы США станет одним из первых шагов в этом направлении.

Для достижения поставленной цели, то есть для установления закономерностей между процессами, происходящими в разных масштабах (от атомарных до тех, которые мы можем заставить непосредственно служить людям), необходимо решить три основные задачи. Во-первых, создать основные, фундаментальные методики, позволяющие наблюдать, описывать, перемещать и объединять наночастицы с высокой точностью. Во-вторых, разработать приемы, позволяющие уверенно и систематически объединять наночастицы, создавая композиционные объекты больших масштабов при условии, что мы можем оценивать степень возрастания сложности на новом уровне. Наконец, на последнем этапе мы можем создавать технологии, представляя себе, каким образом возникающие на наноуровне и способные к развитию свойства вещества будут позднее проявляться в функциональности создаваемых нами материалов и устройств.

Вместо подробных обзоров по отдельным темам мы закончим эту главу несколькими примерами, наглядно демонстрирующими (или иллюстрирующими) проблемы, связанные с возможным слиянием био-нано-информационных технологий, и потенциальные возможности их решения.