пятница, 14 мая 2010 г.

Первые полеты в нанокосмос

По информационным лентам Интернета прошли сообщения о создании американскими учеными из Колумбийского и Нью-Йоркского университетов нанороботов на основе элементов ДНК. Две публикации на эту тему приведены ниже...

Давыд Аюшкин
Создан наноробот величиной с молекулу 14.05.2010
http://apinews.ru/index.php/home/general/1819-nanorobot

Американские ученые создали и запрограммировали робота величиной с одну молекулу, который способен самостоятельно передвигаться в двухмерном пространстве. Исследователи во главе с Миланом Стояновичем из Колумбийского университета работали с так называемыми «ДНК-бродилками», т. е. цепочками перепрограммированной ДНК с «ножками», позволяющими им двигаться.

Группе удалось показать, что "паучки" величиной всего примерно 4 нанометра в диаметре, в состоянии автономно перемещаться в специально созданном двухмерном пространстве и выполнять простейшие функции - начинать движение, поворачивать, останавливаться.

Ученые в разных странах в настоящее время продолжают разрабатывать молекулярные двигатели — наноразмерные машины, способные осуществлять вращение при приложении к ним энергии. Главной особенностью молекулярных моторов являются повторяющиеся однонаправленные вращательные движения, происходящие при подаче энергии. Для подачи энергии используются химический, световой метод, а также метод туннелирования электронов.

Кроме молекулярных двигателей, создаются также наноэлектродвигатели, сходные по конструкции с макроскопическими аналогами, проектируются двигатели, принцип работы которых основывается на использовании квантовых эффектов.

Одним из самых сложных прототипов наноробота является «DNA box», созданный в конце 2008 г. международной группой под руководством Йоргена Кьемса. Устройство имеет подвижную часть, управляемую с помощью добавления в среду специфических фрагментов ДНК. По мнению Кьемса, устройство может работать как «ДНК-компьютер», т.к. на его базе возможна реализация логических вентилей. Важной особенностью устройства является метод его сборки, так называемый ДНК оригами, благодаря которому устройство собирается в автоматическом режиме.

Так как нанороботы имеют микроскопические размеры, то их, вероятно, потребуется очень много для совместной работы в решении микроскопических и макроскопических задач. Рассматривают стаи нанороботов, которые не способны к репликации (т. н. «сервисный туман») и которые способны к самостоятельной репликации в окружающей среде («серая слизь» и др. варианты).

Некоторые сторонники нанороботов в ответ на сценарий «серой слизи» высказывают мнение о том, что нанороботы способны к репликации только в ограниченном количестве и в определенном пространстве нанозавода. Кроме того, еще только предстоит разработать процесс саморепликации, который сделает данную нанотехнологию безопасной. Кроме того, свободная саморепликация роботов является гипотетическим процессом и даже не рассматривается в текущих планах научных исследований.

Однако имеются планы по созданию медицинских нанороботов, которые будут впрыскиваться в пациента и выполнять роль беспроводной связи на наноуровне. Такие нанороботы не могут быть получены в ходе самостоятельного копирования, так как это вероятно приведет к появлению ошибок при копировании, которые могут снизить надежность наноустройства и изменить выполнение медицинских задач. Вместо этого, нанороботов планируется изготавливать в специализированных медицинских нанофабриках.

© Paul Michelotti
Ученые создали на основе молекул ДНК четырехногого робота
Москва, 13 мая - РИА Новости. http://www.rian.ru/science/20100514/233802173.html

Ученые показали возможность создания молекулярных машин на основе молекул ДНК, которые могут автономно функционировать в пространстве и выполнять определенные задачи, востребованные, например, в медицине, сообщается в двух независимых статьях исследователей, опубликованных в журнале Nature.

Авторы первой из них, междисциплинарная группа ученых из США под руководством Милана Стояновича из Колумбийского университета, создали на основе белковых молекул и молекул ДНК четырехногого робота, способного самостоятельно перемещаться вдоль пути, размеченного на поверхности с помощью специальных отрезков ДНК. В своей статье ученые описывают, как их робот самостоятельно проделал около 50 шагов, переместившись в пространстве в заданном направлении на 100 нанометров, существенное расстояние для молекулы.

"Эта молекула подпадает под определение робота: машины, способной чувствовать окружающую среду, принимать решение и выполнять действие на основе этих чувств", - сказал Эрик Уинфри, соавтор Стояновича.

Робот представляет собой белковую молекулу, к четырем "концам" которой прикреплены короткие отрезки специфических молекул ДНК, так называемых "ДНКзимов". Эти молекулы могут взаимодействовать с другими отрезками ДНК, отрезая от них часть в соответствии с принципом комплементарности. Разместив нужные отрезки ДНК на гладкой поверхности с помощью технологии "ДНК-оригами", ученые разметили путь, по которому их "четырехногому пауку" предстояло двигаться.

В ходе эксперимента ученые показали, что ДНКзимы на концах "лап" молекулярного "паука" взаимодействуют с ДНК, прикрепленными к поверхности. Это взаимодействие заключается в соединении двух отрезков ДНК в короткие двухцепочные спирали и "отрезании" ДНКзимом на конце "лапы паука" фрагмента от ДНК, прикрепленной к поверхности. После этого две молекулы ДНК расходятся, совершая таким образом один шаг робота.

После того, как этот шаг сделан, повторное взаимодействие ДНКзима с этой ДНК на поверхности приводит к образованию уже менее прочной двухцепочной спирали, а потому с химической точки зрения роботу выгоднее совершить еще один шаг вперед вдоль разметки. Это достигается "нащупыванием" (хаотическими тепловыми движениями) "лапой" нового еще не "обрезанного" фрагмента ДНК на поверхности.

При этом, начало и конец пути отмечены специальными фрагментами ДНК, взаимодействие с которыми приводит к фиксации робота.

"Можете представить себе такого паука, несущего лекарство и прикрепляющегося, например, к клеточной мембране, паук обнаруживает рецептор на ее поверхности и запускает работу лекарства", - сказал Хао Ян (Hao Yan), соавтор Стояновича.
"Впрочем, до подобных молекулярных машин нам еще далеко, потребуется еще может быть 100 лет прогресса, прежде чем они найдут применение", - добавил Стоянович.
Вторая работа, автором которой является коллектив ученых под руководством Неда Симана из Нью-Йоркского университета, описывает похожую машину на основе ДНК, которая выполняет функции автомобильного конвейера.

На основе похожих принципов, Симаном и его коллегами с помощью отрезков была размечена дорожка на поверхности, вдоль которой перемещалось похожее на паука Стояновича четырехногое шасси. Отличие данного шасси от паука состоит в том, что перемещается оно вдоль дорожки не самостоятельно, а в результате "ручного" добавления в систему, двух новых типов молекул ДНК извне. Эти молекулы либо соединяются с "ногами" шасси и ДНК на поверхности, фиксируя машину на месте, либо разрушают эти связи, высвобождая шасси для перемещения.

Вдоль пути, по которому следует это шасси, Симаном были размещены три манипулятора: конструкции из ДНК-оригами, способные, в зависимости от внешних условий, на присоединение к шасси груза - наночастицы золота фиксированного размера. В результате, к концу конвейера шасси могло приехать с тремя грузами на борту, двумя или одним из трех. Иными словами, конвейер Симана позволяет собирать молекулярные машины разной конфигурации.

"Следующим нашим шагом будет создание конвейера, выпускающего молекулярные машины во внешнее пространство, а также увеличение его длины с тем, чтобы сделать конечный результат сборки еще более сложным", - сказал Симан.

От блогера:
Итак мы уже имеем, как минимум, два типа наноробота:
* паук Стояновича (Колумбийский университет);
* конвейер (шасси) Симана (Нью-Йоркский университет),
имеющих характерный размером ок. 4 нанометров = 4 х 10-9 м = 40 Ангстрем, т.е ок. 40 размеров атома водорода и способных выполнять команды пошагового перемещения на расстояние до 100 нанометров. Причем уже освоена опция переноса «наногруза» (например, точечных «лекарств» или средств «ремонта», строительства жизненно важных молекулярных наноструктур).

Понятны направления дальнейших научных амбиций.

1) Создаются «строительно-монтажные полигоны» для целенаправленного реконструктивного вмешательства в НАНОКОСМОС – макромолекулярные пространства, ключевого для для самопроявления жизни уровня ДНК.
Стратегически самым интересным и в тоже время самым опасным может стать запуск механизма «самопостроения» нанороботами себе подобных.

2) Намечается перспектива создания формальных логических элементов, манипуляторов, транспортных средств наноуровня, способных стать основой конструирования нанокомпьютеров, сложных наномашин,...
Начато сооружение «нанокосмодромов», с которых уже «запускаются» первые исследовательские нанозонды.

3) Молекулярная роботехника, судя по всему, может дать ключ и к постижению нанообразований класса ДНК как природных компьютерных систем.

4) Неминуема и апробация эффектов разрушительного воздействия – создание нанооружия, которое по эффективности может превзойти все имеющиеся формы оружия массового поражения (см. прогнозы-предупреждения д.т.н. Абрамяна Е.А. на http://www.savefuture.ru/). Сегодня даже трудно представить степень губительности для Земли возможных «нановойн».

5) В какой-то степени природным «нанороботом» является такая наноструктура как вирус. «Нанороботы», сгенерированные человеком, могут, с одной стороны, оказаться идеальным средством (оружием) борьбе с болезнетворными вирусами, а с другой – породить новый класс болезней, по сравнению с которыми СПИД окажется легчайшей формой беды.

Комментариев нет: