Wissenschaftler haben lange Zeit verschiedene Nanomaschinen in Laboratorien hergestellt und getestet. Tatsächlich handelt es sich hierbei um molekulare Konstrukte, deren Aufgabe es ist, eine nützliche Funktion zu erfüllen: beispielsweise Medikamente an ein krankes Organ abzugeben, einen Krankheitserreger zu identifizieren oder etwas zu reparieren. Wenn die ersten "nützlichen" Nanoroboter auftauchen, helfen sie dann, den Mars und andere Planeten zu kolonisieren?
Diese Fragen beantwortet Ben Feringa, Professor an der Universität Groningen in den Niederlanden. 2016 gewann er zusammen mit dem Franzosen Jean-Pierre Sauvage und dem Schotten Fraser den Nobelpreis für das Design und die Entwicklung molekularer Maschinen. „Ihre Nanomaschinen bestehen aus sehr verbreiteten Elementen wie Kohlenstoff, Stickstoff oder Schwefel. Können wir in ihnen exotischere Bestandteile erwarten - zum Beispiel Seltenerdmetalle oder radioaktive Substanzen?- Diese Frage ist aus einem einfachen Grund sehr schwer zu beantworten: Wir wissen immer noch nicht, was solche molekularen Konstrukte können und was nicht. Gleichzeitig arbeiten wir alle - sowohl meine Gruppe, Stoddart, Sauvage als auch viele andere Kollegen - trotz der großen Unterschiede in der Struktur unserer Nanomotoren, Rotoren und anderer Elemente immer noch ausschließlich mit organischen Molekülen. Natürlich hindert uns nichts daran, uns vorzustellen, dass so etwas ausschließlich mit anorganischen Verbindungen hergestellt werden kann. Zum Beispiel, um eine komplexe Verbindung aufzubauen und sie wie unsere molekularen Motoren um ihre eigene Achse drehen zu lassen. Bisher hat jedoch noch niemand solche Nanomotoren zusammengebaut.
Der Grund ist einfach. Dank der Entwicklung von Pharmazeutika und Polymerchemie haben wir gelernt, komplexe Verbindungen aus Kohlenwasserstoffketten sehr schnell und gut zu synthetisieren. Ich bin sicher, dass dies auch mit anorganischen Verbindungen möglich ist, aber dazu müssen wir zunächst verstehen, wie solche Moleküle zusammengesetzt werden.
Ich glaube nicht, dass radioaktive Isotope jemals Teil von Nanomaschinen werden. Ihre ungewöhnlichen Eigenschaften und Instabilitäten machen sie wahrscheinlich ungeeignet für die Funktion als Teil stabiler molekularer Systeme, die Licht oder Elektrizität als Energiequelle verwenden.
In dieser Hinsicht interessieren wir uns mehr für biologische molekulare Motoren, von denen Hunderte von Sorten im menschlichen Körper vorhanden sind. Sie sind alle Proteinmaschinen, von denen viele Metallatome enthalten.
Meist spielen sie eine Schlüsselrolle bei den Reaktionen, die diese Biomaschinen bewegen. Daher scheint mir eine Kombination von Metallkomplexen und sie umgebenden organischen Verbindungen am vielversprechendsten zu sein.
In diesem Jahr feiern wir den 150. Jahrestag des Periodensystems. Können Sie erklären, wie diese Errungenschaft von anderthalb Jahrhunderten Ihnen hilft, heute Entdeckungen zu machen?
- Das Periodensystem und die ihm innewohnenden Gesetze helfen uns tatsächlich immer, das Verhalten verschiedener darin benachbarter Atomtypen zu beurteilen und die Eigenschaften einiger Verbindungen vorherzusagen.
Zum Beispiel haben einige Typen unserer Motoren eingebaute Sauerstoffatome. Dank der Tabelle wissen wir, dass Schwefel in seinen Eigenschaften ähnlich sein wird, aber gleichzeitig etwas größer ist. Dies ermöglicht es uns, das Verhalten solcher molekularer Maschinen flexibel zu steuern und Sauerstoff gegen Schwefel auszutauschen und umgekehrt.
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Dies endet natürlich nicht mit unseren Vorhersagefähigkeiten. Kürzlich wurden viele andere Gesetze entdeckt, die es ermöglichen, einige der Eigenschaften von Nanomaschinen vorherzusagen.
Andererseits bezweifle ich, dass wir für solche Nanostrukturen so etwas wie ein Periodensystem schaffen können. Hier haben wir, wenn es grundsätzlich möglich ist, nicht genug Wissen.
Wir können also grob vorhersagen, wie sich molekulare Motoren unterschiedlicher Größe mit ähnlicher Struktur verhalten werden, aber wir können dies nicht für radikal unterschiedliche Systeme tun oder etwas von Grund auf neu entwerfen, ohne Experimente durchzuführen.
Sie haben kürzlich gesagt, dass die ersten vollwertigen Nanoroboter in etwa fünfzig Jahren erscheinen werden. Andererseits fand vor anderthalb Jahren in Frankreich das erste "Rennen" solcher Nanomaschinen statt. Wie weit sind wir von der Entstehung autonomer Nanogeräte entfernt?
- Es versteht sich, dass alle heute existierenden molekularen Maschinen sowohl in ihrer Struktur als auch in ihrem Zweck sehr primitiv sind. Sowohl unser Auto, das wir 2011 zusammengebaut haben, als auch diese "Rennwagen" wurden nicht entwickelt, um praktische Probleme zu lösen, sondern um die Neugier zu befriedigen.
Sowohl wir als auch unsere Kollegen entwickeln solche Geräte, um sehr einfache Probleme zu lösen. Wir versuchen herauszufinden, wie Moleküle sich in die eine oder andere Richtung bewegen, anhalten und andere einfache Befehle ausführen können. Dies ist ein interessantes, aber immer noch rein akademisches Problem.
Der nächste Schritt ist viel schwieriger und ernster. Es ist wichtig zu verstehen, ob sie an wirklich praktischen Aufgaben beteiligt sein können: Güter transportieren, zu komplexeren Strukturen zusammenbauen und auf äußere Reize reagieren.
Mit Nanomaschinen können beispielsweise intelligente Fenster erstellt werden, die auf die Straßenbeleuchtung reagieren und sich selbst reparieren können. Antibiotika, die nur wirken, wenn ein bestimmtes chemisches oder Lichtsignal auftritt. Solche Dinge, so scheint es mir, werden viel früher erscheinen als Sie denken - in den nächsten zehn Jahren.
* Nanobolid * auf der Rennstrecke von einem Kupfersubstrat.
Die Entwicklung vollwertiger Nanoroboter, die Operationen im Körper ausführen oder komplexe Probleme lösen können, wird natürlich mehr Zeit in Anspruch nehmen. Aber ich bin mir wieder sicher, dass wir das auch können. Es gibt unzählige solcher Roboter im menschlichen Körper, und nichts hindert uns daran, ihre künstlichen Kopien zu konstruieren.
Andererseits befinden wir uns, wie ich mehr als einmal gesagt habe, in den Tagen der Gebrüder Wright auf ungefähr demselben Entwicklungsstand wie die Menschheit. Zuerst müssen wir entscheiden, was und warum wir erstellen, und dann darüber nachdenken, wie es geht.
Es scheint mir, dass Sie nicht gedankenlos kopieren sollten, was die Natur erfunden hat. Manchmal sind vollständig künstliche Systeme wie Flugzeuge oder Computerchips viel einfacher zu erstellen als Analoga eines Flügels oder eines menschlichen Gehirns.
In anderen Fällen ist es einfacher, das, was lebende Organismen bereits erzeugt haben, beispielsweise einige Antikörper, zu nehmen und ein Arzneimittel oder einen Teil einer Nanomaschine daran zu befestigen. Ähnliche Ansätze werden bereits in der Medizin verwendet. Daher kann nicht eindeutig gesagt werden, dass einer von ihnen für alle möglichen Anwendungen von Nanorobotern vielversprechender und korrekter sein wird.
In den letzten Jahren sind zwei "Klassen" von Nanomaschinen aufgetreten - relativ einfache Strukturen, die Energie von außen erhalten, und komplexere Strukturen, vollwertige Analoga von Motoren, die in der Lage sind, diese unabhängig voneinander herzustellen. Welche sind näher an der Realität?
- Chemische Motoren, ähnlich wie Analoga in lebenden Zellen, tauchten tatsächlich auf. Wir haben kürzlich mehrere ähnliche Geräte in unserem Labor entwickelt.
Zum Beispiel ist es uns gelungen, eine Nanomaschine zusammenzubauen, die Glucose und Wasserstoffperoxid als Brennstoff verwenden und Nanoröhren, Nanopartikel und andere schwere Strukturen in jede Richtung transportieren kann.
Es ist schwer zu sagen, wie vielversprechend sie sind - alles hängt von den zu lösenden Aufgaben ab. Wenn wir den "Transport" einiger Moleküle organisieren müssen, sind sie dafür ideal. Um intelligente Fenster oder andere Gadgets zu erstellen, müssen Sie bereits nach anderem Material suchen.
Außerdem verstehen wir immer noch nicht, was genau uns fehlt, welche Analoga klassischer Maschinen mit Molekülen erzeugt werden können und wo sich unsere gesamte Sphäre im Allgemeinen bewegen wird. Tatsächlich haben wir gerade erst begonnen, es zu entwickeln. Bisher ist nur eines klar: Nanomaschinen unterscheiden sich von Biomaschinen in unseren Zellen und von ihren „großen Schwestern“im Makrokosmos.
Wenn wir über die ferne Zukunft sprechen, ist es dann möglich, molekulare Maschinen zu verwenden, die in der Lage sind, sich selbst zu kopieren, um globale Probleme zu lösen, beispielsweise um den Mars oder andere Planeten zu erobern?
- Es fällt mir schwer, über andere Welten zu sprechen, da dieses Thema weit über meine Kompetenz hinausgeht. Dennoch denke ich, dass Nanomaschinen für solche Zwecke wahrscheinlich überhaupt nicht verwendet werden. Wenn wir versuchen, eine neue und sehr raue Umgebung zu meistern, brauchen wir eine sehr zuverlässige Technologie, keine experimentelle.
Daher scheint es mir, dass solche Maschinen zuerst auf der Erde Anwendung finden werden. Wir können sagen, dass dies bereits geschieht: In den letzten Jahren haben Chemiker Hunderte sehr komplexer Strukturen vieler Moleküle geschaffen, die sogenannten supramolekularen Strukturen, die selektiv an bestimmte Ionen binden und alles andere ignorieren können.
Zum Beispiel hat mein Kollege Francis Stoddart kürzlich ein Startup gegründet, in dem er Komplexe entwickelt, mit denen Gold aus Bergbauabfällen und Mülldeponien gewonnen werden kann. In der Vergangenheit wurde die Herstellung solcher Verbindungen als Fantasie der Alchemisten angesehen.
Über Nanomaschinen zu sprechen, verursacht in der Öffentlichkeit am häufigsten echte Angst, weil befürchtet wird, dass zukünftige mikroskopische Roboter die Zivilisation und alles Leben auf der Erde zerstören werden. Kann man das irgendwie bekämpfen?
„Diese Probleme haben viel mit Schöpfungsmaschinen zu tun: Die kommende Ära der Nanotechnologie, geschrieben von Eric Drexler im Jahr 1986. Das Szenario des Todes der Menschheit infolge der darin dargestellten Selbstausbreitung von "grauem Schleim" ist heute fast jedem bekannt.
Tatsächlich gibt es hier nichts Ungewöhnliches - bei der Herstellung neuer Nanomaschinen treffen wir die gleichen Vorsichtsmaßnahmen wie bei der Arbeit mit neuen und potenziell toxischen Chemikalien.
In dieser Hinsicht unterscheiden sich die Komponenten von Nanorobotern in ihrem Zerstörungspotential nicht von den „Bausteinen“, aus denen die Moleküle neuer Arzneimittel, Polymere, Katalysatoren und anderer „gewöhnlicher“chemischer Produkte zusammengesetzt werden.
Wie jedes andere Medikament oder Lebensmittelprodukt müssen diese molekularen Strukturen eine Vielzahl von Sicherheitstests durchlaufen, die zeigen, ob sie die Menschheit "rebellieren" und zerstören können.
Tatsächlich sind solche Ängste nicht überraschend - die Menschen sind es gewohnt, Angst vor etwas Neuem und Ungewöhnlichem zu haben. Jedes Jahrzehnt gibt es eine neue "Horrorgeschichte" aus der Welt der Physik, Chemie oder Biologie, die die Dinge ersetzt, an die wir bereits gewöhnt sind. Jetzt ist es beispielsweise in Mode geworden, den genomischen CRISPR / Cas9-Editor und die künstliche Intelligenz zu fürchten und zu kritisieren.
Was sollen Wissenschaftler tun? Es scheint mir, dass unsere Aufgabe einfach ist: Wir müssen der Öffentlichkeit helfen, herauszufinden, was wahr und was fiktiv ist. Es ist wichtig, die praktischen Vorteile dieser neuen Entdeckungen zu verstehen und zu verstehen, wo ihre wahre Gefahr liegt.
Wenn Menschen beispielsweise verstehen, dass CRISPR / Cas9 sie von Krankheiten heilen kann, die mit genetischen Defekten verbunden sind, oder die Pflanzenproduktivität steigern kann, haben sie weniger Grund, diese Technologie zu fürchten. Gleiches gilt für die Nanomaschinen der Zukunft.
