Будущее медицины: биотех или нанотех?

Когда-то публичный диспут был такой же общепринятой формой научной работы, как сейчас – написание статей. Сейчас это искусство забыто, и статьи пишут в виде монолога. А ведь это так интересно – поспорить с коллегой, да еще и в присутствии заинтересованной аудитории.

Участники сегодняшнего диспута – инженер-физик Юрий Георгиевич Свидиненко и биолог Александр Евгеньевич Чубенко, главные редакторы сайтов «Нанотехнология» (www.nanonewsnet.com) и «Коммерческая биотехнология» (www.cbio.ru).



По какому пути пойдет развитие медицины в XXI веке? Какая из технологий с большей вероятностью найдет применение в лечении болезней – био- или нано- ? А если и та, и другая – как они разделят области применения?

А.Чубенко: В конце ХХ века в биологии появились первые генетически модифицированные организмы и клонированные животные, а в технике – понятия «нанотехнология» и «нанороботы» и первые практические работы по созданию наноустройств. Сейчас, через 20 лет после первых работ Эрика Дрекслера и Роберта Фрайтаса, нанотехнологии стали одним из передовых направлений науки и техники. Но то, чем «отцы-основатели» поразили мир – нанороботы – существует по-прежнему только в воображении.

Ю.Свидиненко: Современное состояние и тенденции развития нанотехнологий дают повод для оптимизма относительно кибернетической наномедицины. Уже созданы моторчики диаметром в 500 нм, которые могут использоваться в наноробототехнике в качестве двигателей; наножидкостные и наноэлектронные системы типа «лаборатории-на-чипе», проводящие экспресс-анализ ДНК и других биомолекул; производится ряд наноматериалов для искусственных протезов конечностей с хорошей адгезией к живым тканям. Детально разработан ряд наноустройств, способных выполнять определенные медицинские операции в теле пациента; разработано программное обеспечение для моделирования поведения нанороботов в теле человека. Медицина уже имеет в своем арсенале наночастицы (в первую очередь на основе кремния), которые содержат лекарства и могут доставлять их в клетки. Широко применяются липосомы – сферические двухслойные мембраны, содержащие внутри лекарственные вещества. Но это только первые шаги наномедицины. Я полностью согласен с прогнозом «отцов-основателей», что применение нанороботов станет наиболее эффективным направлением медицины.

А.Ч.: наноматериалы и созданные с их помощью светящиеся пленки, футболки с меняющимся рисунком и другие чудеса техники – это сегодняшняя, максимум – завтрашняя реальность. А какие завтрашние и послезавтрашние варианты применения нанороботов в медицине ты считаешь наиболее вероятными?

Ю.С.: Скорее всего, завтра наноробототехника еще не будет настолько развитой, чтобы выполнять какие-либо медицинские операции в теле человека. Если сегодняшние программы завершатся успешно, то появления первых наномедицинских кибернетических устройств можно ожидать через 30-40 лет. Первым применением наноустройств в медицине станет, без сомнения, мониторинг состояния пациента. Это будет заключаться в составлении структурной модели тела человека, в которой учтено расположение каждой клетки (это особенно важно для изучения процессов, проходящих в коре головного мозга), картографировании сердечно-сосудистой системы, слежении за работой нервной системы, управлении различными имплантантами и протезами, которые к тому времени войдут в повседневную медицинскую практику. Как только наноробототехника достигнет уровня, который позволит наноустройствам проводить медицинские операции внутри тела человека, то их применение в медицине позволит предотвратить и излечить многие болезни, радикально продлить жизнь человека и существенно расширить его природные возможности.

А.Ч.: Липосомы, позволяющие лекарственным веществам проникать в кровь, не разрушаясь, и те же липосомы или другие наночастицы, прикрепленные к антителам (биологическим объектам!) для адресной доставки в организме – это совсем не нанороботы. Здесь намного больше биохимии и молекулярной и клеточной биологии, чем собственно нанотехнологий. Микрочипы для анализа состава среды используют лучшие из существующих в природе датчиков – натуральные, почти живые антитела. Да, современные технологии позволяют сделать эти устройства миниатюрными и уместить на площади почтовой марки плату с лунками, которая в обычной лаборатории занимала бы целый теннисный стол. Это удобно, но, в отличие от наноробота, не чудо.

А вот модель тела на клеточном уровне и даже отслеживание работы нервной системы, по-моему, недостижимая мечта: ни одна система не может полностью проанализировать другую систему, равную себе по степени сложности. Не говоря уж о том, что над созданием такой модели миллион программеров будут работать миллион лет, а для слежения за полутора килограммами мозга потребуется как минимум столько же по весу нанороботов, приставленных к каждому синапсу – в черепе для них нет места. И снимать информацию, не искажая ее, они не смогут.

Более или менее грубую модель работы отдельной анатомической системы, той же кровеносной, построить можно. Может быть, и с помощью микрозонда, позволяющего локализовать участки с нарушениями кровотока. Но для этого достаточно ультразвукового или какого-нибудь другого датчика и обычного компьютера и другого макрооборудования. А уже датчик такого размера, чтобы он смог проплыть по всей кровеносной системе, включая капилляры диаметром 5 микрон, и тем более ползать внутри тканей… Ну не верю – и все тут! Хотя попытки построить нанороботов в любом случае принесут науке и технике много полезного.

Ю.С.: Конечно, сейчас принять такое на веру трудно, но много подобных мониторинговых устройств уже создано. Правда, не в наноразмерном диапазоне, а в сантиметровом и миллиметровом. Построение модели человеческого тела в целом – задача, конечно, трудная, но не невозможная, так как в математическом моделировании часто используют аппроксимации, которые делают модель проще и позволяют уменьшить количество исходных данных, необходимых для ее построения. Если мы хотим смоделировать телевизор, то совсем необязательно учитывать дефекты кристаллической решетки в структуре полупроводниковых приборов. Чаще всего используют «блочные» подходы – например, замену транзистора его вольтамперной характеристикой. Используя этот подход, можно построить модель человеческого тела. Ральф Меркле, один из пионеров нанотехнологий, вице-президент Института предвидения, подсчитал, что, применив блочную схему, можно описать структуру человеческого головного мозга с помощью базы данных размером около 1,5 терабайт. Через 10-20 лет это будет не так уже много.

При съеме информации она будет искажаться, так как нанозонды будут влиять на работу живых тканей? Конечно, будут! Но не настолько, чтобы оказать воздействие на функционирование систем организма. Ведь мы снимаем не квантовые состояния отдельных атомов каждой биомолекулы, а картографируем расположение отдельных клеток. Микрозонд действительно не сможет протиснуться через самые мелкие капилляры, а нанозонд – сможет. Китайские ученые уже построили прототип такого зонда, пока – размерами 3х1х3 мм, который может перемещаться по кровеносной системе человека, управляемый внешним магнитным полем.

Отмечу еще одну особенность будущих диагностических нанозондов: они позволят обеспечить сбор информации в реальном времени, а методами биотехнологии сделать это практически невозможно.

Наноробототехника сейчас находится в зачаточном состоянии. Но с появлением нанофабрик и сборщиков-ассемблеров многие лекарственные вещества (если в них еще будет необходимость), получаемые с помощью современных биотехнологий, можно будет синтезировать в больших количествах, а главное – очень дешево. Те же нанофабрики и сборщики смогут создавать не только нанороботов, но и макроскопические объекты: пищу, компьютеры, машины, и, возможно, даже автоматические космические станции.

А.Ч.: Я не верю в осуществимость мечтаний о том, что нанороботы смогут строить макрообъекты. Предположим, что сегодняшние, штучной ручной сборки, наноподшипники и нанорычаги приведут к разработке Адама и Евы нанороботехники – дизассемблера и ассемблера. Вообразим даже, что у них будут процессоры и манипуляторы, позволяющие механически отщипнуть атом, определить его номер в таблице Менделеева и передать информацию ассемблеру, который найдет нужный атом в окружающей среде, возьмет в манипулятор, доберется до нужного места со скоростью один микрон в час и прилепит к строящейся космической станции. И так – десять в немереной степени раз. Но какие объемы информации для этого придется переработать и сколько энергии и времени на это потребуется, в том числе на сборку миллиарда триллионов нанороботов, весящих в два раза больше, чем создаваемый объект? А еще – на сборку солнечных нанобатарей, нанопреобразователей и излучателей энергии и прочие накладные расходы?

Нанотехнологи предполагают, что передавать нанороботам и энергию, и информацию можно будет, скорее всего, с помощью гипервысокочастотных механических колебаний. Я согласен вообразить, что внешний макрокомпьютер с помощью таких сигналов командует нанороботами и даже не вредит гиперзвуком здоровью пациента. Но как десятимикронный наноробот докричится до своего «коллеги» или до отдаленного процессора? И как различать их «голоса» – они же сольются в ровный гул! Ну и так далее. Придираться к представлениям о пока что не существующих нанороботах можно много, но лучше подождать лет 20. Может быть, к тому времени с помощью нанотехнологий можно будет не только получать одинаковые наночастицы, но и собирать микрообъекты из нескольких разных деталей.

Ю.С.: Все описываемые перспективы наноробототехники выглядят фантастическими, но только с позиции сегодня. Для того, чтобы рассчитать два-три кадра из современной компьютерной игры, математикам 19-го века пришлось бы потратить несколько лет. То, что нанороботы могут собрать за несколько часов пару килограммов вещества, спроектированного поатомно, сегодня выглядит так же фантастично, как мобильный телефон для современников Ньютона. Конечно, для сборки обычного ботинка (не говоря уже о космической станции) так, как ты это описал – атом за атомом – потребуется много времени. Но, к счастью, в инженерии широко практикуется конвейерная сборка. Сборка той же космической станции может идти в несколько ступеней – начиная от производства отдельных узлов роботов-макросборщиков и заканчивая крупноузловой сборкой самой станции. Нанотехнологии в производстве макропродукции будут участвовать косвенно: они просто создадут условия для более эффективной обработки материи.

Наноробототехника может быть вообще самовоспроизводящейся. И нет никаких физических ограничений для того, чтобы специально спроектированный наноробот не смог взаимодействовать с отдельными клетками, а тем более, их ремонтировать и уничтожать вредные микроорганизмы. Представь себе искусственный фагоцит, который будет в несколько десятков раз эффективней обычного! Несколько тысяч таких устройств смогут за несколько минут справиться с инфекцией – гриппом, СПИДом или заражением крови.

А.Ч.: Наконец мы вернулись к основной теме нашего спора – преимуществах био- и нано- подходов к лечению и профилактике болезней. Можно представить себе наноробота, который, позвякивая наношестеренками, ползает по капиллярам и артериолам, выискивает тромбы и атеросклеротические бляшки и отчищает их наноскребком. Но сначала я хочу пояснить тем, кто об этом не задумывался, что нанообъекты никогда не будут выглядеть так, как их рисуют на иллюстрациях. А как выглядят отдельные молекулы, даже огромные – это вообще некорректная постановка вопроса. Вот как выглядят та самая рентгенограмма кристалла ДНК, которую в 1953 году сделала Розалинд Франклин, а ее шеф Морис Уилкинс передал Уотсону и Крику. На соседнем рисунке – то, как представляют себе ДНК и хромосому даже те, кто с ними ежедневно работает.



Знаменитая рентгенограмма, послужившая толчком к открытию двойной спирали




Схема укладки молекулы ДНК в хромосому


Всем известные модели молекул – это чистой воды абстракция, перевод математических уравнений в привычные нам образы. И даже в том случае, когда объекты достаточно крупны, чтобы можно было говорить об их форме, человеку удобнее оперировать моделями. Для примера посмотрите, как «выглядят» бактериофаги в электронном микроскопе. На модели этот вирус – вылитый наноробот.



Изображение бактериофагов в электронном микроскопе




На схеме бактериофаг-«наноробот» вводит ДНК в клетку


Однажды мой приятель-инженер пристал ко мне с вопросом – где граница между живым и неживым? Понять друг друга мы так и не смогли: ясное любому биологу положение о том, что вирус – это, грубо говоря, и то, и другое (и ни то, ни другое), он принимать отказывался. Или-или, а в противном случае вы, биологи, занимаетесь чем угодно, но не наукой, и сами не знаете, чем. Наверное, у нас, биологов, и у вас, технарей, мозги устроены по-разному. Описания медицинского применения нанороботов для меня выглядят похожими на столетней давности прожекты пассажирских дирижаблей с паровыми двигателями. Живая клетка и ее функции – это часть целого организма и производное всех его генов (кроме, может быть, 90% лишних и ненужных).

Типичный пример прожектерства – придуманный Фрайтасом васкулоид, механический протез, состоящий из нанороботов, которые за несколько дней смогут выстелить изнутри кровеносные сосуды и полностью их заменить, да еще и выполнять функции бронежилета. И тем более неосуществима идея заменить клетки крови (в том числе лимфоциты) нанороботами, в каждом из которых среди прочего работает наноарифмометр мощностью с «Пентиум-3». Это, по-моему, и наивный, на уровне Декарта, механицизм, и полунаучная фантастика. Хотя я не считаю такое прожектерство шарлатанством: в науке нет прямых путей и, повторяю, идеи и методы нанотехнологий обязательно окажутся полезными для человечества.

Ю.С.: Вид наноустройств на рисунках, конечно, представлен схематически – для того, чтобы было видно их структуру. Вот как выглядит наноподшипник – в виде структурной модели и более или менее реалистично:



Модель наноподшипника


Эти модели – не абстракция, а чертеж, наглядный и не противоречащий реальности. Так же, как в приведенном тобой примере модель бактериофага – ясное и более информативное изображение той картины, которую можно увидеть в электронном микроскоп.

Живая клетка, бесспорно, самое совершенное и функциональное изобретение природы. Но это продукт биологической эволюции. Я считаю, что будущие продукты техноэволюции, которые возникнут во многом благодаря нанотехнологиям, смогут конкурировать с биологическими аналогами. Вот, скажем, какие биологические методы ты можешь предложить для ускорения процессов человеческого мышления и увеличения объемов человеческой памяти? Или как биологически достичь задержки дыхания до нескольких дней? Нанотехнологии позволяют это сделать с помощью имплантации нейрочипов и введения в кровеносную систему респироцитов – нанороботов, выполняющих функции эритроцитов.



Респироциты – искусственные красные кровяные клетки


Нанотехнологии смогут расширить естественные человеческие возможности. И я сомневаюсь, что этого можно достигнуть с помощью биотехнологий. Какой органический биокомпьютер будет быстрее электронного при одинаковых размерах? В человеческом мозге информация передается с помощью заряженных ионов в жидком растворе. Подвижность электронов в кремниевых носителях составляет 10³ см²/В·сек. Подвижность ионов в водном растворе составляет 10^-3 см²/В·сек. Так что сама природа органики не позволяет создать быстродействующие системы, из-за такого различия в скорости распространения информации.

Механическая или электронная наноробототехника будет, в первую очередь, быстродействующей. Хоть митохондрия и эффективно производит энергию, но я думаю, что глюкозный механохимический реактор, описанный Фрайтасом, будет эффективней.

А.Ч.: И все-таки мы слишком по-разному смотрим на мир и на человеческое тело. Нанотехнологи всерьез рассматривают вопрос создания в том числе и таких нанороботов, которые будут выискивать в организме поврежденные клетки и аккуратно их чинить. Для биолога такая идея выглядит дикой. Поврежденные клетки должны умирать, и механизмы их естественной смерти (апоптоза) и безвременной кончины (некроза) достаточно хорошо изучены, а для замены поврежденных и погибших в организме есть переоткрытые недавно стволовые клетки. Пока нанотехнологи мечтают о будущих нанороботах, сотни видов которых (и тысячи триллионов штук) будут трудиться в каждом человеческом организме, биотехнологи делают то же самое с помощью живых «инструментов». И большинство нанодеталей, которые смастерили умельцы во всем мире, сделаны из ДНК и других биологических молекул.



Нанороботы в артерии


Да и нужны ли будут медицине нанороботы, даже если их удастся произвести? Всю историю развития техники можно представить себе как более или менее неудачные попытки воспроизвести сделанное природой. Проекты нанороботов – это попытки уменьшить в миллионы раз нынешние двигатели, трансмиссии и другие железки, в то время как реально существующие живые объекты работают на совсем других принципах. И даже самые, на мой взгляд, впечатляющие достижения биоэлектроники – имплантируемые нейрочипы, прообраз будущих нейрошунтов, и искусственная сетчатка с разрешением пока что 100х100, устареют раньше, чем будут доведены до промышленного состояния.

Зачем имплантировать в мозг микросхемы? Можно вырастить из нейронов живой микрокомпьютер, который обеспечит связь мозга с электронными устройствами не хуже, чем электромеханический нейрошунт – ведь быстродействие системы в целом будет определяться ее более медленной, живой составляющей. Простенький компьютер из крысиных нейронов, управляющий виртуальной моделью самолета, уже разработан. А из стволовых клеток недавно вырастили сетчатку для больных наследственным пигментным ретинитом – с намного лучшими характеристиками, чем у искусственной. Нужно ли делать механические протезы, если можно вырастить живые? Ведь клеточные технологии позволят в ближайшем будущем выращивать новые органы взамен больных или травмированных. Искусственные почки, суставы, сердечные клапаны и другие органы уже существуют. Применение мезенхимных стволовых клеток, переоткрытых всего пять лет назад, уже сейчас во много раз увеличивает способность организма к восстановлению – в том числе к восстановлению вошедших в пословицу нервных клеток.

Клетки с исправленными генами, которые приживаются в организме и восстанавливают здоровье пациента – это уже сегодняшняя реальность, пусть пока и не поставленная на конвейер. И клетки с искусственным геномом, составленным из готовых блоков или полностью синтезированным, уже разработаны. Чтобы они оказались жизнеспособными, осталось только довести до конца исследования, начатые программами по изучению геномов человека и сотен видов живых организмов. Такие клетки в ближайшем будущем смогут выполнять многие функции, которые могли бы выполнять нанороботы. Для доставки лекарственных веществ в нужное место, к клеткам опухоли или определенной ткани, проще использовать не роботов, а антитела или искусственные вирусы. И их уже сделали, и разработка дрессированных мирных вирусов – это только вопрос времени. Правда, шума больше вокруг вероятности разработки с помощью достижений биотехнологии новых видов биологического оружия, но это – тема для отдельного разговора.

Для борьбы с болезнями будут использовать не нанороботов, а генноинженерные вакцины и сложные молекулы, в том числе те же антитела, которые уже сейчас синтезируют трансгенные растения и животные, а возможно, и рибозимы, изучение которых только начинается. А если что-то вроде нанороботов и будет построено, то, по-моему, не из алмазоидных железяк, а из клеточных органелл и других биологических объектов. С митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомой для синтеза заданного белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов в качестве эффекторов и вакуолью с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями. Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что мы сделаем таких биологических нанороботов раньше, чем вы – механических.

Ю.С.: Вполне возможно, но наши будут быстрее, эффективнее и не подвержены мутациям. Вообще, скорее всего наноробототехника будущего будет гибридной, сочетая преимущества механики, биологии и электроники. Так что поживем – увидим. И лет через двадцать продолжим наш разговор.

А.Ч.: Можно и раньше. А пока вспомним Ивана Петровича Павлова, который сравнил теорию условных рефлексов и психоанализ с двумя бригадами шахтеров, которые с разных концов копают один и тот же туннель.