Amerikansk kemiker Chad Mirkin, der modtog RUSNANOPRIZE-prisen i år, fortalte RIA Novosti om, hvordan hans nanopartikler vil åbne genetisk medicinsk alder, udjævne rynker på kvinders ansigter og helbrede os for kræft, og delte også sine tanker om, hvordan når nanomaskiner kan ødelægge verden.
Chad Mirkin er en af de førende amerikanske kemikere involveret i udviklingen af nanopartikler samlet fra sfæriske DNA-molekyler og kombinationer af DNA eller RNA med metaller og andet uorganisk materiale. Ud over "organisk" nanoteknologi arbejder Mirkin aktivt med udvikling af teknologier til "udskrivning" af nanostrukturer, som kan bruges til at fremstille elektronik og optiske enheder.
Mirkin blev betragtet som en af de største kandidater til 2013-Nobelprisen i kemi og er også tidligere blevet nomineret til RUSNANOPRIZE-prisen, som siden 2009 er blevet tildelt af Rusnano for videnskabelig og teknologisk udvikling eller opfindelser inden for nanoteknologi, der allerede er indført i masseproduktion.
Tchad, genetikere står ofte over for akut social afvisning, når de udvikler GMO'er eller genterapi, men nanoteknologi generelt og nanopartiklerne baseret på sfæriske DNA-molekyler, som du har udviklet, har ikke dette problem. Hvorfor sker det?
- I dette tilfælde er der efter min mening en grundlæggende forskel mellem oprettelsen af nanopartikler og udviklingen af genetisk modificerede produkter. Undersøgelsen af egenskaberne og skabelsen af nanopartikler hører først og fremmest til antallet af kemiske studier, de kan kaldes resultaterne af søgningen efter nye og nyttige egenskaber i nogle strukturer, der ikke findes i naturen eller er resultatet af miniaturisering ved hjælp af en række metoder til deres oprettelse.
For eksempel ændrer alle materialer deres egenskaber, når de er miniaturiserede. Især guld mister sin gyldne farve og bliver rød i nanoskalaen. Dette er præcis, hvorfor nanoteknologi er så interessant for os. Alle disse forskelle, der opstår under overgangen til nanoskala, kan bruges til at udvikle nye, tidligere usete teknologier.
På den anden side er DNA-redigering implementeret globalt ved hjælp af specifikke biokemiske processer, hvis konsekvenser er meget klart definerede, og som for evigt ændrer den måde, levende organismer fungerer på. Dette skaber etiske dilemmaer og tiltrækker tilsynsmyndighedernes og de mennesker, der er bekymrede over de langsigtede konsekvenser af sådanne oplevelser.
Selvfølgelig er der mennesker, der er bange for den videre udvikling af nanoteknologi, men af ovenstående grunde er det ekstremt vanskeligt (og uærligt for os) at bringe alle nanopartikler til den samme størrelse og drage utvetydige "konklusioner" om, at absolut alle nanoteknologier per definition er dårlige. Hvis du tænker over det, kan selve begrebet "nanoteknologi" omfatte næsten alt, hvad videnskaben har skabt i de senere år. Desuden, hvis man bare ser på "almindelig" kemi, fungerer den med molekyler, hvis dimensioner er mindre end de strukturer, som vi kalder nanomaterialer.
Salgsfremmende video:
For eksempel er det, vi strengt taget har oprettet, ikke nanopartikler, men som jeg gerne kalder dem "sfæriske nukleinsyrer", en ny type nanostrukturer, som vi skaber ved at lægge korte DNA- og RNA-molekyler på skabeloner med en bestemt form og design … De har ingen naturlige ækvivalenter, men på samme tid interagerer de med levende stof og celler på en yderst usædvanlig og vigtigst nyttig måde. De kan siges at være en triumferende sammensmeltning af kemi, biologi og nanoteknologi.
Sådanne nanopartikler kan bruges til at løse en lang række problemer - de kan bruges til at aflevere medicin til celler, helbrede kræft og reparere cellerne, diagnosticere sygdomme og mere. Selvfølgelig kan du tilpasse dem til skade, men det er ikke det, vi gør på Northwestern University.
Du er allerede blevet udnævnt som en af kandidaterne til Nobelprisen tidligere, og i år blev den tildelt for en af de vigtigste opdagelser inden for nanoteknologi. Tror du ikke, at du er ufortjent glemt?
- Faktisk blev prisen i år tildelt for en opdagelse, der ikke har noget med vores forskning at gøre - den blev blandt andet modtaget af en af mine universitetskolleger, Fraser Stoddart. Feringa, Savage og Stoddart arbejdede for at skabe molekylære maskiner - ekstremt rå miniatureanaloger til mekaniske rotorer og kontakter, der var i stand til at udføre de samme opgaver som konventionelle maskiner, men på nanoskala.
Vi kan sige, at "Nobelprisen" gik til nanoteknologi, men du er nødt til at forstå, at dette videnskabelige område er meget bredt og inkluderer en meget bred vifte af problemer, fra miljøbeskyttelse, medicin og slutter med energi og elektronik. I dette tilfælde er disse nanoteknologier meget langt fra det, vi laver.
Hvis vi taler om Nobelprisen, kan jeg ikke sige noget - det er ikke min beføjelse at beslutte, hvem der skal modtage den, lad eksperterne fra Nobelkomitéen gøre det.
En af dette års prisvindere, Ben Feringa, mener, at nanomaskiner sandsynligvis aldrig vil true menneskeheden. Hvad er din mening om dette emne, som folk først tænker på, når de tænker på farerne ved nanoteknologi?
- Igen, hvis du er opmærksom på, hvad de gav Nobelprisen i år, kan du se, at den blev tildelt for en meget grundlæggende opdagelse. Jeg tror, at vi nu er på et meget tidligt stadium af den kemiske udvikling af nanoteknologi, hvilket er meget langt fra kapaciteterne hos de maskiner, der er beskrevet i det berømte scenarie "grå goo".
Faktisk er selve ideen om, at maskiner kan komme ud af kontrol og gøre oprør, ren science fiction, der ikke har noget at gøre med videnskab. Jeg tror, at det vil forblive inden for rammerne af fiktion i lang tid fremover. Det, vi arbejder med og i dag, ligner slet ikke det, der er nødvendigt for et sådant scenarie af "dommedag".
De maskiner, som Feringa og kolleger har skabt, er meget skematiske og slet ikke som de "nano-terminatorer", som science fiction-forfattere bruger til at skræmme os. Vi har stadig mindst årtier, hvis ikke århundreder, før et sådant scenario bliver genstand for seriøs diskussion.
På hvilke områder af nanoteknologi forventer du de mest betydningsfulde gennembrud i den nærmeste fremtid?
”Vores nanosfæriske nukleinsyrer vil og bliver allerede brugt til en række formål og inden for en lang række områder inden for videnskab, medicin og industri. De er allerede brugt til diagnostik inden for medicin - for eksempel har vi skabt nanopartikler med guldkerner dækket af et DNA “pels”, som bruges som tags til en ultra-præcis søgning efter specifikke segmenter af DNA, proteiner og andre biomolekyler forbundet med sygdomme og forskellige bio - "mål".
Sådanne partikler kan anvendes til hurtig analyse af spyt-, blod- eller urinprøver og søge efter forskellige vira, bakterier eller endda genetisk bestemte sygdomme i dem. Alt dette, understreger jeg, bruges allerede i praksis.
I fremtiden venter mere på os - vi skaber hule DNA-nanopartikler fyldt med lægemidler eller et andet stof, der kan trænge ind i celler, som almindeligt DNA og RNA-molekyler ikke kan. Sådanne nanopartikler kan for eksempel tilsættes hudcreme og bruges til at behandle over 200 hudsygdomme forbundet med DNA-nedbrydninger. På samme måde kan vi bekæmpe colitis, sygdomme i øjnene, blæren eller lungerne. Æraen med genetisk medicin kommer.
Det er værd at forstå her, at der er behov for tre ting for at få succes på dette område. For det første skal du være i stand til at fremstille RNA- og DNA-molekyler, og vi har gjort et godt stykke arbejde med denne opgave i 30 år. For det andet skal du forstå, hvorfor mutationer i visse gener forårsager sygdom. Dette problem blev løst i begyndelsen af 2000'erne, da afkodningen af det menneskelige genom blev afsluttet.
Den tredje ting manglede dog indtil for nylig - evnen til at indføre DNA og RNA i de væv og organer, hvor de skulle hen. Og det viste sig, at nanopartikler er den mest bekvemme og pålidelige måde at løse dette problem på. Vores sfæriske nukleinsyrer var i stand til at trænge ind i celler så let som intet retrovirus nogensinde kunne gøre.
Nu har vi muligheden for punktvist at injicere DNA i de organer, der interesserer os, og ikke kun i leveren som før, og dette har åbnet op for os tidligere utænkelige udsigter til genterapi. Vi har ikke engang brug for lægemidlets selektivitet, da vi direkte kan injicere DNA, hvor vi har brug for det, og ikke passere gennem hele kroppen.
En af dine mest berømte opdagelser er oprettelsen af krystaller fra DNA. Har du fundet nogen industriel anvendelse til sådanne strukturer, eller er dette en grundlæggende opdagelse hidtil?
- Krystaller fra DNA er en af de mest interessante ting, som vi har været i stand til at skabe. Hvis "Nobelprisen" for nanoteknologi eksisterede, ville metoden for deres produktion efter min mening være den mest værd.
Vi blev interesseret i disse krystaller tilbage i 1996 af grunde langt fra medicin og biologi. Vi testede et koncept, der var nyt på det tidspunkt, idet det hedder, at nanopartikler kan betragtes som en slags kunstige atomer, og DNA fungerede i dette tilfælde som en slags programmerbare "subatomære" partikler, på basis af hvilke nanopartikler, "atomer", hvis kemiske egenskaber blev bestemt ville være DNA-molekyler på deres overflade.
Fleksibiliteten ved egenskaberne af sådanne nanopartikler gjorde det muligt for os bogstaveligt at designe krystaller med en given struktur og samle dem atomare atom med nøjagtighed med subnanometer, herunder skabe sådanne krystalgitter, hvis analoger ikke findes i naturen. I årenes løb har vi skabt 500 forskellige versioner af disse gitre, hvoraf seks er helt kunstige. Dette baner vejen for total kontrol over materialegenskaber og et uendeligt udvalg af kunstige krystallinske materialer.
Fra synspunktet med deres praktiske anvendelse bevæger vi os stadig kun i denne retning. De første katalysatorer og optiske enheder, der er baseret på disse krystaller, vises efter min mening om cirka 10 år. Det er vigtigt, at og som i tilfældet med moderne elektronik, hvis oprettelse var umulig uden evnen til at fremstille silicium-monokrystaller, åbner oprettelsen af DNA-krystaller vejen for en ny klasse af teknologier.
Når du talte om at skabe nanosfærer fra DNA-molekyler, sagde du, at de kan bruges til en række formål, herunder til at udglatte rynker. Var kosmetiske virksomheder interesserede i denne udvikling?
- Ja, mange virksomheder har allerede vist interesse for denne anvendelse af sfæriske DNA-molekyler. Fra kosmetologiens synspunkt er nanopartiklernes potentiale næsten ubegrænset - med deres hjælp kan vi gøre huden mere elastisk, fjerne mørke pletter, rense celler fra pigmentmolekyler og få huden til at stoppe med at producere dem og også løse en masse andre problemer.
Men der er et stort problem her - det er ikke klart, hvordan sikkerheden ved sådanne produkter vil blive vurderet og reguleret af de kompetente myndigheder, da de samtidig kan løse både farmaceutiske og kosmetiske problemer. Hvem der er ansvarlig for deres verifikation, og hvordan det vil blive gjort - er endnu ikke klart.
Desuden er udviklingen af kosmetik baseret på nanopartikler fra DNA og en simpel menneskelig synsvinkel en sekundær opgave sammenlignet med oprettelsen af vacciner mod kræft og genetiske sygdomme, som hundreder af tusinder og millioner af mennesker venter på helbredelse.
I de senere år har forskere skrevet hundreder, måske tusinder af artikler, der er afsat til de næste "fremtidens materialer" - for eksempel plasmoner eller DNA-origami. Over tid aftog spændingen, men vi har ikke set nogen synlige resultater endnu. Hvorfor sker det?
- Faktisk vil jeg ikke sige, at alle disse teknologier er fordampet eller forsvundet - forskningen fortsætter, i det mindste inden for plasmonics, vises publikationer fra tid til anden om origami, selvom der ikke synes at være nogen teknologiske udsigter her. På kort sigt synes begge disse materialer kun at være genstand for grundforskning.
Her er det værd at huske historien om opfindelsen af laseren. Da fysikere skabte de første lasere, sagde nogen, at "dette er en interessant opdagelse, der stadig afventer dens praktiske anvendelse." I dag kan lasere findes overalt - lasere er i ethvert supermarked, de bruges til at sy og klippe væv under operationer og findes i alle computere og kommunikationssystemer.
Med andre ord ofte efter en grundlæggende opdagelse, ikke engang uger eller måneder, men årtier går, før den finder sin praktiske og kommercielle anvendelse.
