Árið 1959 lagði bandaríski eðlisfræðingurinn Richard Feynman huglægan grunn að nanótækni, örsmáum vélum og tækjum mældum í nanómetrum, í frægum fyrirlestri fyrir Ameríska eðlisfræðifélagið (e. American Physical Society, APS) í Pasadena í Bandaríkjunum. Þar fór hann yfir tækifærin sem felast í smækkun á tæknibúnaði og sagði nóg pláss á botninum. Feynman sá fyrir sér nanóvélar sem gætu ferðast innan æðaveggja okkar, flutt eitruð krabbameinslyf sértækt til æxla, stýrt lyfjagjöf, eða jafnvel framkvæmt hárnákvæma skurðaðgerð. Þá verði hægt að framleiða nýjar tegundir fjölliða með betrumbætta eiginleika, bættar rafhlöður, og alls kyns snjallefni sem geta brugðist við áreiti, aðlagast, eða breyst með skipun. Möguleikarnir eru endalausir. David Leigh, prófessor í lífrænni efnafræði við háskólann í Manchester, Englandi, er einn þeirra sem hefur lengi unnið að hönnun og byggingu nanóvéla úr örsmáum sameindum. Hann segir efnafræðinga eins og sig hafa reynt að þróa nanóvélar í um 25 ár, en að þessi þróun taki tíma.
Frumkvöðlar í faginu hlutu Nóbelsverðlaun í efnafræði árið 2016
Fyrsta skrefið í átt að sameindavél tók Jean-Pierre Sauvage árið 1983 þegar hann tengdi tvær hringlaga sameindir saman í keðju. Sameindir tengjast vanalega m.a. með sterkum samgildum tengjum þar sem atóm deila rafeindum, en hringirnir voru tengdir á frjálslegan hátt og gátu hreyfst óháð hvor öðrum. Fraser Stoddart tók næsta skrefið þegar hann þræddi sameindahring um örþunnan sameindaöxul og sýndi fram á að hringurinn gat hreyfst fram og aftur um öxulinn. Með þessu hannaði hann örsmáar lyftur, gervivöðva og sameindatölvuflögu. Bernard Feringa var svo fyrstur til að þróa sameindahreyfil árið 1999 en síðan þá hefur hópnum hans tekist, með sameindahreyflum, að hreyfa við glerhólki sem var 10.000 falt stærri en sjálfur hreyfillinn. Þá hannaði hópur Feringa einnig örsmáan nanóbíl árið 2011, sem samanstóð af undirvagni og fjórum sameindarvélum fyrir dekk, en bíllinn gat keyrt á koparfleti. Sauvage, Stoddart og Feringa hlutu Nóbelsverðlaunin í efnafræði árið 2016 fyrir að hafa hannað og smíðað heimsins smæstu sameindatæki. Nanóvélar sem framkvæma hreyfingu eða vinnu, knúnar áfram með utanaðkomandi orku.
Framþróun í tölvuvinnslu ágætis fordæmi
Framþróun tölva í gegnum árin hefur sýnt okkur hvernig smækkun tæknibúnaðar getur leitt til tæknibyltingar, en ENIAC ( e. Electronic Numerical Integrator and Computer), sem af mörgum er talin fyrsta tölvan, vó 30 tonn og þakti á annað hundrað fermetra, en reiknigeta hennar var á við lítinn vasareikni. Nokkrum áratugum síðar erum við með milljón falt öflugri tölvur í vasanum okkar. Enski stærðfræðingurinn Alan Turing (1912-1954), einn þekktasti og áhrifamesti vísindamaðurinn á sviði tölvunarfræði, lagði grunninn að mikilvægum hugtökum í fræðilegri tölvunarfræði. Árið 1936, þá aðeins 24 ára, skrifaði hann grein um formlegt líkan að tæki til að leysa verkefni. Sjálfvirkt tæki sem gæti lesið kóða af bandi og framkvæmt skipanirnar sem þar eru kóðaðar. Vélin varð síðar nefnd Turing-vél. Þetta lagði grunninn að nútíma tölvuvinnslu að sögn Leigh, sem telur fullvíst að hægt verði að framleiða slíkar Turing-vélar á örsmáum skala sameinda. Sameindatækin gætu m.a. framleitt efni sem er ómögulegt að gera með nútíma tækni og vísindum, eins og ný lyf eða nýjar fjölliður með betrumbætta eiginleika. David Leigh segir augljóst að möguleikinn sé fyrir hendi þar sem stórkostleg fordæmi séu nú þegar til í náttúrunni.
Stórkostlegar fyrirmyndir sameindavéla finnast í náttúrunni
Frumur vinna upplýsingar á hátt sem minnir á Turing-vél, í þeim eru sameindavélar sem lesa gögn frá þráðum sameinda og framkvæma eftir þeim ákveðið úttak. Eitt besta dæmi um sameindavél fruma er sú sem vinnur við nýmyndun prótína inni í þér og öllum lifandi frumum lífsins. Ríbósóm eru örsmá frumulíffæri, um 20-30 nanómetrar í þvermál, gífurlega skilvirkar stórsameindavélar samansettar úr tveimur einingum sem samanstanda af ríbósóma-RNA (rRNA) og prótínum. Til að framleiða prótín er tvíþátta erfðaefni frumunnar (DNA) fyrst umritað í einþátta mRNA (e. messenger RNA) sameind af pólýmerasa. Næst binst ríbósóm við mRNA sameindina, rennir sér eftir henni, les yfir upplýsingar hennar þar sem hver basaþrennd mRNA sameindarinnar táknar einhverja eina af tuttugu amínósýrum lífs. Þá færa tRNA (e. transfer RNA) sameindir viðeigandi amínósýru að ríbósóminu þar sem þær tengjast saman og mynda fjölpeptíð og á endanum samanbrotið prótín.
Sameindavélar gætu virkað eins og ríbósóm gerir þar sem leiðbeiningar eru kóðaðar á eina sameind og önnur sameind myndi lesa leiðbeiningarnar og framkvæma vinnu samkvæmt þeim. Rannsóknarhópur Leigh vinnur að því að hanna og byggja slíka vél í litlum skrefum. Áður hafa þau hannað hringlaga höfuð sameind sem rennur eftir öxul sameind, knúin áfram af ljósi. Þá fundu þau leið til að knýja kerfið áfram með efnaorku í stað ljóss, nánar tiltekið með tríklórediksýru. Vélarnar eru í lausn og þegar sýrunni er blandað við lausnina, lækkar sýrustig lausnarinnar og höfuðið færist áfram eitt skref. Þarna eru vélarnar farnar af stað, en þá vantar hæfni til að lesa og framkvæma vinnu eftir upplýsingum.
Sameindavél sem hreyfist eftir og les upplýsingar af þræði
Í nýlegri grein sem birtist í Nature, sýndi hópur Leigh fram á, í fyrsta skipti, að hin örsmáa nanóvél gat lesið upplýsingar af bandinu sem hún rann yfir. Þau hönnuðu langan sameindaþráð sem geymir bita af upplýsingum, og hönnuðu svo aðra hringlaga sameind með kórónu-eter höfði, eins konar strimillesara, sem rennur eftir þræðinum í einstefnu með hjálp efnaorku. Þá breytist rúmefnafræði strimillesarans eftir bindiseti, þ.e. höfuðið breytir lögun eftir efnisinnihaldi þráðarins á hverjum stað. Með því að varpa ljósi á höfuð strimillesarans gátu þau lesið kóða strimilsins með hringskauts litrófsmælingu (e. circular dichroism spectroscopy). Talnakerfi nanóvélar Leigh er þríundarkerfi þar sem hver biti getur haft gildið -1, 0 eða +1, á meðan talnakerfi tölva, tvíundakerfið, getur aðeins notað tölurnar 0 eða 1. Þetta kemur til vegna eðli höfuðsins sem les kóðann, en höfuðið snýst á ákveðinn hátt þegar bindisetið er -1, gagnstæðan hátt þegar bindisetið er +1, en snýst ekki þegar bindisetið er 0.
Á meðan hverju skrefi má vissulega fagna, er þetta aðeins byrjunin á sviði sameindavéla. Hraðann má vel bæta en í þessari tilraun tók það nokkra klukkutíma að færa höfuðsameindina um eitt set. Til samanburðar geta ríbósóm dreifkjörnunga lesið um 20 tákna (60 basa) á hverri sekúndu ásamt því að bæta við viðeigandi amínósýru á hverjum og einum þeirra. Nú þegar teymi Leigh hefur fundið leið til að fá sameindavélina til að lesa kóðann sem hún fer yfir, sé næsta áskorun sú að fá vélina til að bregðast við upplýsingum sem hún les og framkvæma verk eftir þeim. Leigh sér fyrir sér að nanóvélin geti hvatað mismunandi efnahvörf eftir því hvaða form sameindin tekur, þannig gæti hún t.d. hvatað myndun sameindar A er hún les +1, og hvatað myndun sameindar B er hún les -1. Leigh sér einnig fyrir sér að hver biti geti tekið á sig fimm eða sjö tölur í stað þriggja, sem myndi margfalt auka magn upplýsinga sem hægt væri að setja á eitt band.
Stakt hár þúsundfalt breiðara en nanóvélar
Einn helsti kostur þessarar tækni, að sögn Leigh, er hámarkssmækkun tækninnar sem við búum yfir nú þegar, þ.e. að koma upplýsingum fyrir á sem allra minnsta plássi. Það gæti komið sér vel fyrir tölvuvinnslu, gagnageymslu, eða alls kyns framleiðslu. Leigh er einna helst spenntur fyrir framleiðslu nýrra efna sem nútíma tækni geti ekki framleitt, þar nefnir hann nýjar tegundir af plasti en algeng plöst í dag eru langar fjölliður úr sömu einliðunni. Með þessari tækni væri mögulega hægt að framleiða nýjar ofurfjölliður með því að taktískt blanda saman mismunandi einliðum fyrir nýja og betri eiginleika. Leigh nefnir til samanburðar að öll prótein heimsins eru samansett úr aðeins 20 amínósýrum. Ein samsetning amínósýranna gefur fjölliða prótín sem nefnist fíbróín sem er uppistaðan í köngulóarvef, prótein sem er fimm sinnum sterkara en stál. Ef þú raðar sömu 20 amínósýrunum á annan hátt færðu vöðvasamdráttarpróteinið mýósín, eða jafnvel mótefni.
Þó tækni nanóvéla sé enn á frumstigi er skemmtilegt að velta fyrir sér möguleikunum og hvaða stórbrotnu tækninýjungar tíminn mun leiða í ljós.
Athugasemdir (1)