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.

Myndræn fram­setn­ing af ein­þátta mRNA (ljóst) sem þýtt er af ríbó­sómi yfir í fjölpeptíð sem leggst saman og mót­ast í prótín (rautt). tRNA (fjólu­bláar) sam­eindir ferja stakar amínó­sýrur inn sam­ein­ast amínó­sýru­keðj­unni á við­eig­andi stað.

Mynd: b'sel­vanegra'

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.