Robert A. Freitas Jr. © Компилятивный перевод - Свидиненко Юрий.
Immortality corp. team.
Люди часто спрашивают о примерах тех уникальных возможностей, которые нанороботы могут принести медицине. Правда ли, что некоторые простые вещи, исполняемые нанороботами, не могут быть реализованы с помощью биотехнологий?
Респироциты - искусственные красные клетки крови - один из ответов на этот вопрос. Их функциональность во много раз превосходит существующие эритроциты: это и возможность переносить больше кислорода, чем природный аналог, и высокая долговечность, и возможность перепрограммирования (что вообще в данное время не может реализовать биотехнология), и высокое быстродействие. В живых системах быстродействие играет основную роль.
Наномедицина предлагает мощные инструменты для борьбы с человеческими заболеваниями и для потенциального улучшения человеческого организма. Выполненные из алмазоида медицинские нанороботы могут внести улучшения возможностей нашего организма. Клоттоциты*, например, заменяя "родные" человеческие тромбоциты, выполняют их функции (искусственный быстродействующий гемостаз) за 1 секунду, причем кровотечение может быть довольно обширным (физическое повреждение тканей) или небольшим внутренним. При этом концентрация искусственных тромбоцитов меньше натуральных в 100 раз. То есть, клоттоциты в 10000 раз эффективнее природного аналога, т.к. время нормального тромбогенеза колеблется от 5 до 17 минут.
Рассмотрим далее еще одну составляющую "механизированной крови" - механических фагоцитов или микрофагоцитов (микрофаги). На самом деле, микрофагами можно назвать целый класс нанофагоцитов. Различные представители этого класса выполняли бы различные функции в организме - от линии первого реагирования в крови (внутривенные) до внутритканевых и внутримозговых. Но общая цель подобных устройств - уничтожение микробиологических патогенов, найденных в организме человека.
Сепсис, как известно, представляет собой наличие патогенных микроорганизмов в крови (заражение крови). При наличии благоприятных условий эти микроорганизмы размножаются, образуя инфекционное заражение. Бактериемия - наличие бактерий в человеческой крови. Кровоток здорового человека содержит, чаще всего, стерильное окружение. Основная противомикробная защита включает циркулирующие нейтрофилы и моноциты (белые кровяные тельца), способные к фагоцитозу и поддержанию человеческого иммунного барьера. Тем не менее, наличие бактерий в кровотоке человека - обычное дело. Они попадают туда через кожу, оральную полость, механические повреждения тканей и т.д. Некоторые из бактерий, попадающих в кровь, чрезвычайно вирулентны и способны преодолевать иммунный барьер. У "родных" фагоцитов на "обезвреживание" таких агентов уходит 4-5 часов. У нанороботов ушло бы 2-3 минуты.
Микрофагоцит представляет собой сфероидальное наномедицинское устройство, состоящее из 610 биллионов точно составленных атомов плюс еще ~150 биллионов молекул газа или воды при полной заправке. Длина наноробота по главной оси - 3.4 микрона (мкм), а по малой оси - 2.0 мкм, что позволит проникать в тончайшие капилляры кровеносной системы диаметром 4 мкм. Его объем - 12 мкм3, включая два резервуара для обработки материалов.
Наноустройство потребляет 100-200 пиковатт в течение операции "переваривания" микробов и может обработать объем в 2 мкм3 в течении 30-ти секундного дигестального (пищеварительного) цикла. "Чистая" масса устройства - 12.2 пикограммов.
Опишем работу наноробота. В основу его работы положен принцип переваривания органической "пищи", используемый большинством живых существ и нами в том числе. Робот состоит из 4-х основных частей - реверсивного набора "гнезд для бактерий", к которым вначале "прилипают" микроорганизмы; системы телескопически выдвигающихся захватов для перемещения уже захваченных микробов; фракционирующий резервуар, в котором микроб разрезают на маленькие кусочки, которые затем можно легко перевариваются дигестальной системой. Рассмотрим отдельно каждый из компонентов.
Столкновение между бактерией и "гнездом" приводит к близкому контакту и способствует "прилипанию" бактерии к наноустройству. Многие микроорганизмы имеют в своем составе характерные только им молекулы, которые являются своего рода ключом к бактерии. Так, Staphylococcus Bacillus содержит в составе своей мембраны стфиллококковый протеин A или эндотоксин, большинство патогенных бактерий содержит в клеточной мембране правосторонние аминокислоты, позволяющие сопротивляться против энзимов бактериофагов. По этим "ключевым" приметам можно легко отличить вирулентную бактерию от нормальной. "Гнезда" же будут ориентированны на 9 основных лиганд, содержащихся в оболочке любой патогенной клетки. По подсчетам ~104 копии каждой из девяти лиганд содержится на площади поверхности бактерии в~10 мкм2. Исходя из этого, количество рецепторов и "гнезд" для их присоединения на такой же площади поверхности наноустройства составит ~100 единиц. По всему микрофагу их количество составит 20000.
Как только бактерия присоединена к микрофагоциту как минимум в 9-ти точках с силой присоединения 380-1440 пиконьютон, телескопические захваты типа "рука робота" поднимаются из пазов в устройстве и захватывают бактерию. Каждый из наноманипуляторов эквивалентен описанному в статье "Ассемблеры и дизассемблеры", только в 25 раз длиннее. Полностью распрямленный манипулятор имеет длину 250 нм и диаметр 30 нм с 150-нм рабочим "конвертом" - манипулятором. Механизм втягивания и выпускания манипулятора и руки - пневматический привод с действующим газом азотом - роторами подается в полый телескопический захват, заставляя его выдвигаться. Максимальная скорость выдвигания составит ~1 см/сек и затребует мощности ~0.6 пиковатт. Всего на наноустройстве содержится 277 телескопических манипуляторов.
"Схватив" бактерию, манипулятор ориентирует ее главную ось вдоль главной оси устройства и подносит ее к внутреннему порту, который представляет собой эллиптическую дверь сфинктерного (диафрагмового) типа. Она раздвигается на величину бактерии и принимает ее внутрь измельчительного резервуара. Как только измельчительный резервуар наполнится бактериями, из внутренних пазов выходят 10 лезвий с режущей поверхностью 10 нм, приводимые в движение наномоторами и начинают вращаться, измельчая бактерии в кашицу из оргинических соединений. Профиль лезвий может быть не прямым, а сложным. Как только измельчение закончилось, внутри микрофага открывается порт в дигестальную полость и специальный поршень заталкивает туда измельченный материал.
В дигестальной полости находится около 2000 роторов, нагнетающих или вытягивающих оттуда 40 специально разработанных энзимов. В течение 30-ти секундного цикла энзимы сменяются 6 раз, полностью разлагая органические остатки на базовые аминокислоты, простые сахара и т.д. Полученная простая органика, безвредная для человеческого организма, выбрасывается в кровь и работа микрофагоцита по протоколу "перевари-и-выброси" (digest and discharge) заканчивается.
Внешний вид устройства изображен на рисунке.
Устройство может работать непрерывно в течение 3-4 месяцев. Энергию обеспечивают 10 глюкозовых моторов. Кислород и глюкоза для их работы выбираются из крови. Работой всех бортовых механизмов управляет механокомпьютер.
Микрофагоциты могут быть полезны также при лечении менингитов. Эти маленькие нанороботы могут в течение 10 минут полностью очистить кровь от патогеных вирусов, бактерий и организмов. Вне человеческого тела они способны очищать места биологического заражения, противостоять бактериологическим атакам во время биологической войны и устранять эпидемии и пандемии.
Дизайн сайта разработан KN Graphics
|
|