Wirusy w nanotechnologii. Idea godna Frankensteina ? Może nie.

Jakoś tak jest,że człowiek w swoich działaniach często naśladuje naturę. Naśladownictwo to , określane jako biomimetyzm , dawało dotychczas wiele pozytywnych rezultatów. I nie chodzi tu tylko o skrzydła samolotów,czy radar.

Nanotechnologia, to nowa, niezwykle obiecująca dziedzina nauki,powstała tak naprawdę w ostatnich dziesięcioleciach XX wieku. Jedną z jej czołowych koncepcji są nanoroboty, czyli małe mechanizmy wykonujące swą pracę w skali nano (10-9 m). Sama nanorobotyka, należy do jednych z czołowych gałęzi badań nad nanotechnologią. Niestety, zbudowanie w warunkach sztucznych takich mechanizmów nie jest proste. Istnieje jednak droga na skróty – zastosowanie tworów już istniejących w naturze – to jest wirusów. Na pierwszy rzut oka, pomysł ten wygląda na niebezpieczne rojenia szalonych naukowców. Wirus przecież, nie bez powodu pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego truciznę lub jad. Wirusy odpowiadają za szereg chorób. Wirusy takie jak ebola, czy HIV powodujący AIDS są przerażającym zagrożeniem. W istocie, zjawiska takie jak mutacje sprawiają, że zastosowanie w nanotechnologii wirusów, sprawia wrażenie niebezpiecznych eksperymentów, mogących zaowocować naszą śmiercią, a nawet przetworzeniem wszystkiego na ziemi w „szarą maź” – co jest wymieniane jako jedno z podstawowych zagrożeń związanych z nanotechnologią.

W istocie, owe zagrożenie może istnieć,tym niemniej istnieją różne rodzaje wirusów atakujące różne komórki. Nie wszystkie wirusy atakują nasze komórki ! Ze względu na pojawianie się coraz odporniejszych na antybiotyki bakterii, trwają intensywne badania,nad początkowo zarzuconą ideą terapi (bakterio)fagowej. Ponadto, należy pamiętać,że wykorzystanie wirusów w nanotechnologii, nie oznacza jeszcze pozostawienia tych wirusów „działającymi” (bo wirusów nie traktuje się jako „form życia”) – na przykład, po namnożeniu mogą być wykorzystane kapsydy (tj. otoczki białkowe) wirusa poddanego odpowiedniemu chemicznemu oddziaływaniu,sama zaś aktywna część wirusa może zostać usunięta,co oczywiście znacząco zwiększa bezpieczeństwo.

W praktyce zatem, takie rozwiązanie owszem przypomina „teoretycznie niebezpieczne” „namnażające się roboty” – które jednak potem poddaje się złomowaniu, w celu uzyskania stosownych części zamiennych !

Jest to jak najbardziej możliwe,ponieważ cykl życiowy wirusa składa się z następujących etapów:

  1. Dostania się do komórki
  2. Rozpakowaniu z kapsydu części aktywnej (DNA/RNA)
  3. Replikacja i wytworzenie nowej otoczki z której formowany jest nowy kapsyd
  4. Otoczenie części aktywnej przez kapsyd w wyniku procesów samoorganizacji
  5. Opuszczenie zainfekowanej komórki
  6. Atak na następne komórki (powtórzenie punktu 1, ale w nowym cyklu)

Ponieważ badania nad biologią wirusów prowadzone są od stosunkowo dawna możliwe jest wykorzystanie tych zjawisk np. do usunięcia części aktywnej wirusa i pozostawienia pustego kapsydu. A to już jest coś, ponieważ kapsydy wirusowe posiadają szereg zalet jak:

  • stosunkowo znaczna odporność kapsydu jako materiału (chroni wirusa przed otoczeniem)
  • łatwa masowa produkcja (to w końcu elementy wirusów)
  • wysoka powtarzalność
  • duża symetria
  • wykorzystują zaawansowana samoorganizację.
  • rozkładają się w komórkach (przenoszenie w środku czegoś innego, niż kwas nukleinowy)
  • Możliwość ich modyfikacji poprzez stosowną modyfikację genetyczną wirusa (nowe struktury)

W praktyce do tych celów, wykorzystywane są bardzo często stosunkowo dobrze zbadane wirusy jak CCMV czy wirus mozaiki tytoniowej, które atakują rośliny.

Wirus Mozaiki Tytoniowej - y_tambe, CC BY-SA 3.0

Czy zastosowanie aktywnych wirusów w nanotechnologii ma sens ? Niewątpliwie, również w pewnych przypadkach będzie mieć i będzie miało miejsce,choć oczywiście zostawienie „aktywnych” replikatorów wymaga odpowiedniej wiedzy na ich temat i dużo większych środków bezpieczeństwa. Tymczasem, badania nad wykorzystaniem kapsydów, dla uzyskania nowych materiałów i struktur są najczęściej dużo bezpieczniejsze.

Oczywiście, należy też pamiętać, że nanorobotyka bynajmniej nie kończy się na wirusach.

Ku regeneracji v. 2.0 – materiały samoleczące i regeneracja jako funkcja rekonfigurowalnej elektroniki.

Wbrew tytułowi,tak naprawdę,jeśli chodzi o regenerację nie osiągnięto jeszcze tak wiele by dogonić naturę,tym bardziej zaś – wyprzedzić ją. Mimo to sprawa jest ciekawa.

W najnowszej wersji gry Starcraft 2 (Wings of Liberty), oprócz zdolnej do regeneracji rasy zergów również w rasie ludzi potencjalnie dostępna jest „technologia regenerującego się pancerza”. Nie wiem,czy w tej grze ma to jakieś szczególne znaczenie – w rzeczywistości jednak, miałoby na pewno. Popatrzmy bowiem ogólnie:

Siłą ludzi i zwierząt w porównaniu z robotami przy wykonywaniu prac fizycznych, jest zdolność do przystosowania – ale też, do częściowej regeneracji obrażeń. Skóra ulega regeneracji,a po drobniejszych zranieniach i otarciach po jakimś czasie nie pozostaje nawet ślad. Funkcje uszkodzonych tkanek przejmują inne. Naprawdę, trochę trzeba,by uszkodzenie żywego organizmu – człowieka czy zwierzęcia było naprawdę trwałe.Tymczasem uszkodzone maszyny i materiały zwykle pozostaną uszkodzone nawet w drobny sposób,a uszkodzenia te będą się kumulować. Co to oznacza ? Oczywiście: koszty,czas poświęcony na naprawy,konieczność ingerencji technika. mechanika, czy innego specjalisty i zakupu części zamiennej, lub wręcz konieczność zakupu nowego produktu…

Co z tym można zrobić ?

Generalnie rozwiązania są trzy:

  • „Płakać i płacić” – ponosić koszty występującego problemu i napraw usterek.
  • Znaleźć sposób,by część materiału czy systemu przejęła funkcję uszkodzonej,lub chociaż zachowywała się stosownie do uszkodzenia.
  • Znaleźć sposób,by część materiału czy systemu naprawiła się sama.

Rozwiązanie pierwsze,szczególnie gdy niezawodność przegrywa z ceną,czy też może być z natury ograniczona było stosowane do tej pory najczęściej. Pozostałe rozwiązania wyglądają na skomplikowane w praktyce. Nie oznacza to jednak,że przynajmniej częściowo nie mogą zostać zrealizowane.Jest to wyjątkowo ważne,ponieważ własność samoleczenia/samonaprawy może znacząco zwiększyć niezawodność materiałów i wydłużyć czas funkcjonowania niektórych urządzeń.To naprawdę jest możliwe !

Istnieje wiele (często współdziałających) rozwiązań składających się na te rozwiązania – a tym samym na mniej,lub bardziej zaawansowane systemy samoleczące.Są to:

  • Nadmiarowość
  • Modułowość
  • Samoorganizacja
  • Hierarchiczna struktura
  • Możliwość transportu w strukturze różnych jej elementów
  • Specyficzne elementy naprawcze

Przykładem częściowej realizacji stosunkowo prymitywnego sposobu, na pewnego rodzaju przejęcie funkcji uszkodzonego systemu, czy nawet regenerację w samolotach F15, była nadmiarowość elementów elektronicznych, połączona z modelowaniem lotu, w celu wykrycia rozbieżności z modelem sprawnego samolotu. Z czasem założono,że więcej osiągnąć można poprzez zastosowanie sieci neuronowych .Więcej o tych badaniach można poczytać w dokumencie „The story of Self-Repairing Flight Control Systems” dostępnym na stronie NASA

Współcześnie przy coraz krótszym czasie rekonfiguracji możliwe byłoby również (być może) w niektórych wypadkach skorzystanie z rekonfigurowalnych układów FPGA [Wikipedia: PL, ANG ]

Rekonfigurowalna elektronika, nie jest może w pełni porównywalna z najnowszymi dedykowanymi układami ASIC czołowych producentów,ale ma duży potencjał jeśli chodzi o elektroniczne systemy w których funkcję uszkodzonego układu przejmują po przeprogramowaniu inne. W niektórych (szczególnie tych bardzo zaawansowanych przypadkach) bardzo istotną kwestią jest jednak czas rekonfiguracji, zwłaszcza wczytania konfiguracji z pamięci flash. O układach FPGA już wielokrotnie wspominałem, jeszcze napiszę o nich wkrótce,ponieważ jest to bardzo interesująca i w niektórych zastosowaniach – bardzo obiecująca technologia.

W informatyce zresztą stosuje się również niekiedy zastępowalność i nadmiarowość – przykładem jest (w niektórych przypadkach) np. w niektórych macierzach dysków RAID. (należy uważać na macierze softwarowe – obciążają one procesor bardziej)

Jednym z bardziej wydajnych rozwiązań, zmierzających do regeneracji przez systemy elektroniczne pomimo uszkodzeń jest wykorzystanie automatów komórkowych w elektronice rekonfigurowalnej,poprzez wykorzystanie specyficznego algorytmu TTA (Tom Thumb Algorithm). Jest to algorytm powstały na podstawie uproszczenia mechanizmu samoreplikacji w automatach komórkowych znanych jako maszyna samoreplikująca (universal constructor) von Neumanna (który zresztą odpowiada, za wprowadzenie idei samoreplikacji w odniesieniu do maszyn i jest twórcą idei automatu komórkowego – choć opierał się początkowo również na pracach Polsko-Amerykańskiego matematyka Stanisława Ulama). Algorytm ten pozwala na wykorzystanie nadmiarowości urzadzenia rekonfigurowalnego tak,by w miarę możliwości ominąć uszkodzone obszary. Algorytm ten został on wprowadzony przez Umberto Pesavento,badacza włoskiego pochodzenia.

Jednak jak wspomniałem, nadmiarowość i ewentualnie hierarchiczna struktura nie są jedynym rozwiązaniem. Jeśli chodzi o materiały samoleczące, istnieje dużo więcej prostych ideowo,a przy tym bardzo skutecznych rozwiązań.

Zasadniczo, oprócz materiałów samoleczących, ulegających samodzielnej regeneracji wyróżnia się takie,które podlegają jej w odpowiedzi na wprowadzony przez człowieka odczynnik – np. odczynnik chemiczny. Ponadto, pewne materiały posiadają z natury pewne zdolności do „samoleczenia”, na przykład:

  • Określone tendencje do ruchu cząsteczek (w wyniku zjawisk fizykochemicznych takich jak np. dyfuzja
  • Odpowiednie naprężenia ściskające w przypadku pęknięć
  • Odpowiednie nagrzewanie (w wypadku szkieł,szkieł metalicznych i niektórych stopów)
  • Pasywacja / Utlenianie (również ceramiki) i inne reakcje chemiczne powodujące powstanie stabilnej międzywarstwy
  • Przemiany fazowe pozwalające na wypełnienie pęknięć przez nową fazę.
  • W pewnych określonych przypadkach – pamięć kształtu.

Natomiast w literaturze naukowej, wspomina się następujące procesy i rozwiązania intensyfikujące samolecznie:

  • Enkapsulacja i mikroenkapsulacja cząsteczek (zamknięcie w kapsułkach) lub „drążone włókna” („hollow fibres”) z określoną substancją/substacjami wypełniającymi np. pęknięcia.
  • Transport Kanalikowy (przez pęknięcia i pustki)
  • Rozszerzające się fazy
  • Rozdzielanie się faz
  • Odwracalne sieciowanie (polimery)
  • Wzrost temperatury
  • Procesy elektrochemiczne
  • Procesy biologiczne
  • Samoorganizacja cząsteczek (zwłaszcza organicznych – ale nie tylko)

Należy pamiętać,że nie wszystkie te rozwiązania występują we wszystkich materiałach i układach naraz,lecz można zastosować w odpowiednich warunkach nawet kilka z powyższych rozwiązań.

Do bardziej konkretnych przykładów samoleczenia w materiałach należą:

  • Warstwy antykorozyjne i polimerowe, wykorzystujące „mikrokapsułki” lub drążone włókna. Ich działanie polega na tym,że powstałe w materiale pęknięcie jest zasklepiane, dzięki działaniu odpowiednich żywic lub innych odczynników chemicznych. Rozwiązanie z „drążonymi włóknami” pozwala ponadto,na uzyskanie złożonych chemicznie kilku odpowiednich substancji reagujących ze sobą tuż po powstaniu pęknięcia – np. żywicy i utwardzacza w przypadku polimerów.Z przykładem działania enkapsulacji odczynnika w celu powstrzymania wzrostu pęknięcia można zapoznać się na poniższym obrazku:
  • Jonomery EMAA,w których powstałe wskutek trafienia pociskiem pęknięcie, które prawdopodobnie pod wpływem aktywowanych cieplnie przemian ulegają zasklepieniu. Swoją pracę (master thesis) napisał na ten temat Stephen James Kalista Jr.
  • Warstwy pasywacyjne – szczególnie warstwy chromu w stopach żelaza z chromem i strukturach chromowanych. Są to bardzo stare rozwiązania,co nie zmienia faktu,że bardzo skuteczne jeśli chodzi np. o ochronę przed korozją.
  • Pęknięcia mogą być usunięte dzięki obecności odpowiednich naprężeń ściskających oddziałujących na strukturę (na przykład w trakcie eksploatacji)
  • Pęknięcia mogą być usunięte w aluminium w odpowiednich warunkach ,dzięki dyfuzji atomów miedzi w strukturze stopów aluminium.
  • W pękniętej strukturze betonu dzięki obecności bakterii przyspieszeniu ulec może naturalny proces odbudowy struktury krystalicznej węglanu wapnia – co oznacza likwidację części uszkodzeń strukturalnych.

W ten sposób, materiały samoleczące są skutecznym rozwiązaniem, chroniącym materiały przed utratą pełnionych funkcji wskutek pęknięć,korozji i innych uszkodzeń które w sposób skuteczny wyłączają materiał lub urządzenie z dalszej eksploatacji.

Praktycznie jednak procesy te nie umywają się do skuteczności i elegancji np. powstania skrzepu w miejscu zranienia,zrastania się kości, czy natychmiastowego rozkładu,a następnie ponownego złożenia, uszkodzonego wskutek działania światła białka. Tak czy inaczej, technologie te będą dynamicznie rozwijane i w najbliższych dziesięcioleciach należy spodziewać się znacznego postępu w prowadzonych nad nimi badaniach.Ponieważ wbrew tendencji niektórych producentów do planowego postarzania produktów,my konsumenci chcemy dobrych i sprawnych produktów.A w pewnych sektorach – szczególnie medycznym i wojskowości sprawność urządzenia jak najdłużej nadal ma pierwszorzędne znaczenie.

Samomouporządkowanie i samoorganizacja w materiałach – podstawy

Skoro zamieściłem już i pokrótce omówiłem podstawy,dotyczące samoorganizacji,pora przejść do kwestii praktycznych. Przede wszystkim,co oczywiste samoczynnie tworzenie się złożonej struktury w materiałach zachodzi głównie w stanach pośrednich pomiędzy stanem płynnym a krystalicznym. Kryształ jest bowiem nazbyt stabilną (termodynamicznie i nie tylko) strukturą,natomiast ciecz – wprost przeciwnie.
Jednocześnie jednak materiał taki jest w jakiś sposób uporządkowany – zwykle od klasycznej skali nano,po skalę rzędu jednego lub kilku mikronów (µm). Nie mówimy tu jednak o ścisłym uporządkowaniu,ale o relatywnym uporządkowaniu w skalach nanoskopowych i mezoskopowych (artykuł po angielsku o fizyce zjawisk mezoskopowych do przeczytania na wikipedii).

Jeśli chodzi o materiały, podlegające samouporządkowaniu i samoorganizacji – przynajmniej w najbardziej prymitywnych jego formach – powiązane są z nim szczególnie:

Natomiast do substancji,których rola w samoorganizacji i samouporządkowaniu jest bardziej kompleksowa zaliczamy np:

Samym samouporządkowaniem w materiałach, w dużej części zajmuje się dziedzina chemii, znana jako chemia supramolekularna ,zaś pod względem chemicznym, dużą rolę w samoorganizacji odgrywają np: odpowiednia geometryczna struktura cząsteczek, wynikająca z hybrydyzacji elektronowej,ruchy browna i ruch cząsteczek,przemiany fazowe i zjawiska termodynamiczne, oraz wiązania chemiczne wodorowe i van der Waalsa. Istotną rolę odgrywają też prawdopodobnie wiązania wielokrotne i zjawiska elektrostatyczne, czy wiele innych zjawisk.Cała sprawa jest bardziej skomplikowana,niż się to na pierwszy rzut oka wydaje,a same zjawiska związane z samoorganizacją są nadal badane.

Należy jasno zaznaczyć,że nie ma w tym nic dziwnego,że samoorganizacja wymaga jednak sprzyjających warunków. Życie na dobrą sprawę też wymaga,a badane obecnie procesy samoorganizacji, z oczywistych przyczyn – poza samoorganizacją, związaną z dostępnymi już związkami organicznymi dotyczą zjawisk,których kompleksowość jest stosunkowo ograniczona,a tym samym możliwa do pojęcia przez człowieka.

Należy pamiętać,że chodzi tu o stosunkowo proste zjawiska, w porównaniu np. z kompleksowością zachowania komórki.Naukowo udowodniono istnienie tzw. „fal metabolicznych” w komórce, związanych z równowagą chemiczną i adhezją itd,niemniej badania nad dokładnym przebiegiem tych bardzo szybkich i kompleksowych zjawisk wciąż trwają.

Zastosowanie w praktyce samoorganizacji ma dość istotne znaczenie w rozwoju inżynierii materiałowej.Niewątpliwie, największe sukcesy osiągane są w związkach organicznych i metaloorganicznych – jednak nie tylko. Dużym sukcesem jest wytwarzanie w oparciu o metodologię samoorganizacji – dzięki doborowi odpowiednich związków chemicznych nanokrystalicznych cząstek o kontrolowanym rozmiarze,a nawet produkcja kropek kwantowych – których potencjał w medycynie,plazmonice itd jest naprawdę ogromny („czapka niewidka” lub kubity w komputerach kwantowych, to tylko przykład ich zastosowań).

Kluczem do uzyskania nanokrystalitów dzięki metodologii samouporządkowania, jest odpowiedni dobór substancji powierzchniowo czynnych i nie tylko.Dzięki zastosowaniu związków amfifilowych lub supra-amfifilowych,a następnie ich odpowiedniemu usunięciu.Brzmi prosto,proste nie jest,ponieważ chemicznie procesy te opierają się na złożonym doborze równowagowych warunków pomiędzy przyciąganiem a odpychaniem i wymagają bardzo dokładnej kontroli procesu.

Krótki wstęp do samoorganizacji

Problem samoorganizacji i samoporządkowania, znany również w języku angielskim jako self-organization,oraz self-assembly jest jak już wspominałem jednym z podstawowych zjawisk, które miały wpływ na powstanie życia.To spontaniczne uporządkowanie się na mocy praw fizycznych, powiązanych z właściwościami odpowiedniego przedmiotu/czastki chemicznej, pozwala na otrzymanie w stosunkowo prosty – dla niektórych poniekąd „magiczny” sposób – obiektów o dużej złożoności.Czasem tak dużej złożoności,że mówimy o emergencji i o rzekomej nieredukowalności,lub kompleksowości (anglojęzyczny artykuł wikipedii o kompleksowości tutaj) . i dotyczy zarówno czegoś tak skomplikowanego jak roje owadów i stada, jak i czegoś tak (pozornie tylko) prostego jak paski zebry itd. W rzeczy samej, kwestia ta nie jest prosta. Najprostsza definicja samoorganizacji (z anglojęzycznej wikipedii) brzmi:

Samoorganizacja jest procesem, w którym jakaś forma globalnego porządku lub koordynacji wynika z lokalnych interakcji pomiędzy składnikami systemu początkowo nieuporządkowanego. Proces ten jest spontaniczny: nie jest kierowany lub kontrolowany przez czynnik lub podsystem wewnątrz lub na zewnątrz systemu; Jednak prawa kierujące procesem i jego warunki początkowe mogą zostały wybrane lub spowodowane przez taki czynnik.

Daje ona przynajmniej ogólne pojęcie czym samoorganizacja jest.Dla osób chcących zrozumieć jak to wygląda w praktyce polecam następujący artykuł oraz  następujące materiały z youtube:

Jak to działa w praktyce na przykładzie prymitywnych dipoli:

Film wyjaśniający samoorganizację:

„Rój robotów” na uniwersytecie Harvarda tworzy złożone wzory:

Mam nadzieję,że ten wstęp ułatwił zrozumienie podstaw,umożliwiając tym samym, omawianie bardziej skomplikowanych problemów już wkrótce.

„Nowy Materiał” czy może mikromechanizm z MIT – jak woda popłynąć może w górę

Jak informuje strona MIT News (przedrukowano również na stronie Giznet) na MIT (Massachusetts Institute of Technology) opracowano „nowy materiał” oparty o „mikrowłoski”/pręty na podłożu polimerowym,zmieniające swoje nachylenie pod wpływem pola magnetycznego.Działanie wynalazku przedstawia poniższy filmik:

Same parametry „włosków” to 70 µm wysokości i 25 µm średnicy,kąt skręcania waha się w zakresie 0° – 57°.  Osobom nie rozumiejącym skali wyjaśniam,że 1 µm = 10-6 m,  jest to skala,  którą można wykorzystać np. do opisywania komórek bakterii (w zasadzie komórki bardziej rozwiniętych organizmów częściej mają rozmiary na poziomie dziesiątków µm).

Zastosowanie tego wynalazku,to wg. badaczy m.in. kontrola kierunku przepływu cieczy,kontrola oporu płynu czy dopasowywanie do potrzeb przejrzystości (przezroczystości) optycznej.

Pełny artykuł,udostępniono na licencji OpenAcces Tutaj

Nie mogę się jednak zgodzić z nazwaniem tego, zarówno przez redakcję Giznet jak i wcześniej przez blog MIT „materiałem”. Sami badacze używają określenia „Magnetically actuated surface” co można przetłumaczyć najlepiej jako Magnetycznie uruchamiana/napędzana/sterowana powierzchnia. I w zasadzie, choć nad powierzchnią taką mogliby pracować również inżynierowie materiałowi (sama procedura przygotowania czegoś takiego jak najbardziej wchodzi w ich kompetencje – polerowanie elektrolityczme,wykorzystanie plazmy,utlenianie itd),samo nazywanie otrzymanej powierzchni „materiałem”, jest jednak niezbyt zgodne z definicją materiału,jaką zapewnia (na bardzo podstawowym,i mało naukowym poziomie – ale jednak) choćby Wikipedia:

„Materiał – słowo wieloznaczne. W najbardziej ogólnym sensie jest to surowiec w postaci pierwotnej lub częściowo przetworzony, z którego wytwarza się różne produkty. […]

W dziedzinie naukowo-technicznej nazywanej badaniami materiałowymi materiał definiuje się jako każdą substancję, z której zrobione są analizowane wyroby […]”