Der amerikanische Chemiker Chad Mirkin, der dieses Jahr den RUSNANOPRIZE-Preis erhielt, erklärte gegenüber RIA Novosti, wie seine Nanopartikel das Zeitalter der genetischen Medizin eröffnen, Falten im Gesicht von Frauen glätten und uns von Krebs heilen werden, und teilte auch seine Gedanken darüber mit, wie wenn Nanomaschinen die Welt zerstören können.
Chad Mirkin ist einer der führenden amerikanischen Chemiker, die an der Entwicklung von Nanopartikeln beteiligt sind, die aus kugelförmigen DNA-Molekülen und Kombinationen von DNA oder RNA mit Metallen und anderen anorganischen Stoffen zusammengesetzt sind. Neben der "organischen" Nanotechnologie arbeitet Mirkin aktiv an der Entwicklung von Technologien zum "Drucken" von Nanostrukturen, mit denen Elektronik und optische Geräte hergestellt werden können.
Mirkin galt als einer der Hauptkandidaten für den Nobelpreis für Chemie 2013 und wurde in der Vergangenheit auch für den RUSNANOPRIZE-Preis nominiert, der seit 2009 von Rusnano für wissenschaftliche und technologische Entwicklungen oder Erfindungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie vergeben wird, die bereits in die Massenproduktion eingeführt wurden.
Im Tschad sind Genetiker bei der Entwicklung von GVO oder Gentherapie häufig einer akuten sozialen Ablehnung ausgesetzt, aber die Nanotechnologie im Allgemeinen und die Nanopartikel, die auf von Ihnen entwickelten sphärischen DNA-Molekülen basieren, haben dieses Problem nicht. Warum passiert es?
- In diesem Fall besteht meiner Meinung nach ein grundlegender Unterschied zwischen der Erzeugung von Nanopartikeln und der Entwicklung gentechnisch veränderter Produkte. Die Untersuchung der Eigenschaften und der Erzeugung von Nanopartikeln gehört zuallererst zur Anzahl der chemischen Untersuchungen. Sie können als Ergebnisse der Suche nach neuen und nützlichen Eigenschaften in einigen Strukturen bezeichnet werden, die in der Natur nicht existieren oder das Ergebnis der Miniaturisierung sind, wobei verschiedene Methoden für ihre Herstellung verwendet werden.
Beispielsweise ändern alle Materialien ihre Eigenschaften, wenn sie miniaturisiert werden. Insbesondere Gold verliert seine goldene Farbe und wird im Nanobereich rot. Genau deshalb ist die Nanotechnologie für uns so interessant. All diese Unterschiede, die beim Übergang in den Nanobereich auftreten, können genutzt werden, um neue, bisher nicht sichtbare Technologien zu entwickeln.
Andererseits wurde die DNA-Bearbeitung weltweit mithilfe spezifischer biochemischer Prozesse implementiert, deren Folgen sehr klar definiert sind und die die Funktionsweise lebender Organismen für immer verändern. Dies schafft ethische Dilemmata und zieht die Aufmerksamkeit von Regulierungsbehörden und Personen auf sich, die über die langfristigen Folgen solcher Erfahrungen besorgt sind.
Natürlich gibt es Menschen, die Angst vor der Weiterentwicklung der Nanotechnologie haben, aber aus den oben genannten Gründen ist es äußerst schwierig (und unehrlich für uns), alle Nanopartikel auf die gleiche Größe zu bringen und eindeutige "Schlussfolgerungen" zu ziehen, dass absolut alle Nanotechnologien per Definition schlecht sind. Wenn Sie darüber nachdenken, kann das Konzept der "Nanotechnologie" fast alles umfassen, was die Wissenschaft in den letzten Jahren geschaffen hat. Wenn Sie sich nur die "gewöhnliche" Chemie ansehen, dann arbeitet sie mit Molekülen, deren Abmessungen kleiner sind als die Strukturen, die wir Nanomaterialien nennen.
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Zum Beispiel haben wir streng genommen keine Nanopartikel geschaffen, sondern, wie ich sie gerne nenne, "sphärische Nukleinsäuren", eine neue Art von Nanostrukturen, die wir erzeugen, indem wir kurze DNA- und RNA-Moleküle auf Templates einer bestimmten Form und eines bestimmten Designs platzieren … Sie haben keine natürlichen Äquivalente, interagieren aber gleichzeitig auf äußerst ungewöhnliche und vor allem nützliche Weise mit lebender Materie und Zellen. Man kann sagen, dass sie eine triumphale Verschmelzung von Chemie, Biologie und Nanotechnologie sind.
Solche Nanopartikel können verwendet werden, um eine Vielzahl von Problemen zu lösen - sie können verwendet werden, um Medikamente an Zellen abzugeben, Krebs zu heilen und seine Zellen zu reparieren, Krankheiten zu diagnostizieren und andere Dinge. Natürlich können Sie sie für Schäden anpassen, aber das tun wir an der Northwestern University nicht.
Sie wurden bereits in der Vergangenheit als einer der Kandidaten für den Nobelpreis benannt, und dieses Jahr wurde er für eine der wichtigsten Entdeckungen auf dem Gebiet der Nanotechnologie verliehen. Denken Sie nicht, dass Sie zu Unrecht vergessen wurden?
- In diesem Jahr wurde der Preis für eine Entdeckung verliehen, die nichts mit unserer Forschung zu tun hat. Er wurde unter anderem von einem meiner Universitätskollegen, Fraser Stoddart, entgegengenommen. Feringa, Savage und Stoddart arbeiteten an der Entwicklung molekularer Maschinen - extrem grobe Miniaturanaloga mechanischer Rotoren und Schalter, die dieselben Aufgaben wie herkömmliche Maschinen ausführen können, jedoch im Nanobereich.
Wir können sagen, dass der "Nobelpreis" an die Nanotechnologie ging, aber Sie müssen verstehen, dass dieser Bereich der Wissenschaft sehr breit ist und eine Vielzahl von Problemen umfasst, von Umweltschutz über Medizin bis hin zu Energie und Elektronik. In diesem Fall sind diese Nanotechnologien sehr weit von dem entfernt, was wir tun.
Wenn wir über den Nobelpreis sprechen, kann ich nichts sagen - es ist nicht mein Vorrecht, zu entscheiden, wer ihn erhalten soll, lassen Sie die Experten des Nobelkomitees dies tun.
Einer der diesjährigen Preisträger, Ben Feringa, glaubt, dass Nanomaschinen die Menschheit wahrscheinlich nie bedrohen werden. Was ist Ihre Meinung zu diesem Thema, über das die Menschen zuerst nachdenken, wenn sie über die Gefahren der Nanotechnologie nachdenken?
- Wenn Sie erneut darauf achten, was sie dieses Jahr mit dem Nobelpreis verliehen haben, können Sie sehen, dass er für eine sehr grundlegende Entdeckung verliehen wurde. Ich denke, wir befinden uns jetzt in einem sehr frühen Stadium der chemischen Evolution der Nanotechnologie, was sehr weit von den Fähigkeiten der Maschinen entfernt ist, die im berühmten Szenario der "grauen Gänsehaut" beschrieben wurden.
Tatsächlich ist die Idee, dass Maschinen außer Kontrolle geraten und rebellieren können, reine Science-Fiction, die nichts mit Wissenschaft zu tun hat. Ich denke, dass es noch lange im Rahmen der Fiktion bleiben wird. Was wir heute und an dem wir arbeiten, ist keineswegs ähnlich wie das, was für ein solches Szenario des „Endes der Welt“benötigt wird.
Die Maschinen, die Feringa und Kollegen geschaffen haben, sind sehr schematisch und ähneln überhaupt nicht den "Nano-Terminatoren", mit denen uns Science-Fiction-Autoren Angst machen. Wir haben noch mindestens Jahrzehnte, wenn nicht Jahrhunderte Zeit, bis ein solches Szenario ernsthaft diskutiert wird.
In welchen Bereichen der Nanotechnologie erwarten Sie in naher Zukunft die bedeutendsten Durchbrüche?
- Unsere nanosphärischen Nukleinsäuren werden und werden bereits für eine Vielzahl von Zwecken und in einer Vielzahl von Zweigen der Wissenschaft, Medizin und Industrie eingesetzt. Sie werden bereits für die Diagnostik in der Medizin verwendet. So haben wir beispielsweise Nanopartikel mit Goldkernen hergestellt, die mit einem DNA-Pelzmantel bedeckt sind und als Tags für eine ultrapräzise Suche nach bestimmten Segmenten von DNA, Proteinen und anderen Biomolekülen dienen, die mit Krankheiten und verschiedenen biologischen Substanzen assoziiert sind - "Ziele".
Solche Partikel können zur schnellen Analyse von Speichel-, Blut- oder Urinproben und zur Suche nach verschiedenen Viren, Bakterien oder sogar genetisch bestimmten Krankheiten in ihnen verwendet werden. All dies wird, wie ich betone, bereits in der Praxis angewendet.
In Zukunft erwartet uns mehr - wir stellen hohle DNA-Nanopartikel her, die mit einem Medikament oder einer anderen Substanz gefüllt sind, die in Zellen eindringen können, was gewöhnliche DNA- und RNA-Moleküle nicht können. Solche Nanopartikel können beispielsweise der Hautcreme zugesetzt und zur Behandlung von über 200 Hauterkrankungen verwendet werden, die mit DNA-Ausfällen verbunden sind. Ebenso können wir Kolitis, Erkrankungen der Augen, der Blase oder der Lunge bekämpfen. Die Ära der genetischen Medizin kommt.
Hier ist zu verstehen, dass drei Dinge erforderlich sind, um in diesem Bereich erfolgreich zu sein. Erstens müssen Sie in der Lage sein, RNA- und DNA-Moleküle herzustellen, und wir erledigen diese Aufgabe seit 30 Jahren gut. Zweitens müssen Sie verstehen, warum Mutationen in bestimmten Genen Krankheiten verursachen. Dieses Problem wurde in den frühen 2000er Jahren gelöst, als die Entschlüsselung des menschlichen Genoms abgeschlossen war.
Das dritte fehlte jedoch bis vor kurzem - die Fähigkeit, DNA und RNA in die Gewebe und Organe einzuführen, in die sie gehen sollten. Und es stellte sich heraus, dass Nanopartikel der bequemste und zuverlässigste Weg sind, um dieses Problem zu lösen. Unsere kugelförmigen Nukleinsäuren konnten so leicht in Zellen eindringen wie kein anderes Retrovirus.
Jetzt haben wir die Möglichkeit, DNA in den Organen zu zeigen, die uns interessieren, und nicht mehr wie zuvor in der Leber, und dies eröffnete uns bisher undenkbare Perspektiven für eine Gentherapie. Wir brauchen nicht einmal die Selektivität des Arzneimittels, da wir DNA direkt dort injizieren können, wo wir sie benötigen, und nicht durch den gesamten Körper gelangen können.
Eine Ihrer bekanntesten Entdeckungen ist die Herstellung von Kristallen aus DNA. Haben Sie eine industrielle Anwendung für solche Strukturen gefunden oder ist dies eine grundlegende Entdeckung?
- Kristalle aus der DNA sind eines der interessantesten Dinge, die wir schaffen konnten. Wenn der "Nobelpreis" für Nanotechnologie existieren würde, wäre die Methodik für ihre Herstellung meiner Meinung nach am wertvollsten.
Diese Kristalle haben uns bereits 1996 aus Gründen interessiert, die weit von Medizin und Biologie entfernt sind. Wir haben das damals neue Konzept getestet und festgestellt, dass Nanopartikel als eine Art künstliche Atome betrachtet werden können. DNA fungierte in diesem Fall als eine Art programmierbare "subatomare" Partikel, auf deren Grundlage Nanopartikel - "Atome", deren chemische Eigenschaften bestimmt wurden wären DNA-Moleküle auf ihrer Oberfläche.
Die Flexibilität der Eigenschaften solcher Nanopartikel ermöglichte es uns, Kristalle mit einer bestimmten Struktur buchstäblich zu entwerfen und sie atomar atomar mit Subnanometergenauigkeit zusammenzusetzen, einschließlich der Erzeugung solcher Kristallgitter, deren Analoga in der Natur nicht existieren. Im Laufe der Jahre haben wir 500 verschiedene Versionen dieser Gitter hergestellt, von denen sechs vollständig künstlich sind. Dies ebnet den Weg für eine vollständige Kontrolle über die Materialeigenschaften und eine endlose Vielfalt künstlicher kristalliner Materialien.
Aus Sicht ihrer praktischen Anwendung bewegen wir uns immer noch nur in diese Richtung. Die ersten Katalysatoren und optischen Geräte, die auf diesen Kristallen basieren, werden meiner Meinung nach in etwa 10 Jahren erscheinen. Es ist wichtig, dass und wie bei der modernen Elektronik, deren Herstellung ohne die Fähigkeit zur Herstellung von Silizium-Einkristallen unmöglich war, die Erzeugung von DNA-Kristallen den Weg für eine neue Klasse von Technologien ebnet.
Als Sie über die Erzeugung von Nanokugeln aus DNA-Molekülen sprachen, gaben Sie an, dass sie für eine Vielzahl von Zwecken verwendet werden können, einschließlich zum Glätten von Falten. Waren Kosmetikunternehmen an dieser Entwicklung interessiert?
- Ja, viele Unternehmen haben bereits Interesse an dieser Anwendung sphärischer DNA-Moleküle gezeigt. Aus kosmetischer Sicht ist das Potenzial von Nanopartikeln nahezu unbegrenzt - mit ihrer Hilfe können wir die Haut elastischer machen, dunkle Flecken entfernen, Zellen von Pigmentmolekülen reinigen und die Haut dazu bringen, sie nicht mehr zu produzieren, und auch viele andere Probleme lösen.
Hier gibt es jedoch ein großes Problem: Es ist nicht klar, wie die Sicherheit solcher Produkte von den zuständigen Behörden bewertet und reguliert wird, da sie gleichzeitig sowohl pharmazeutische als auch kosmetische Probleme lösen können. Wer für ihre Überprüfung verantwortlich sein wird und wie dies geschehen wird, ist noch nicht klar.
Darüber hinaus ist die Entwicklung von Kosmetika auf der Basis von Nanopartikeln aus DNA aus Sicht der Geschäftsentwicklung und einfach aus menschlicher Sicht eine sekundäre Aufgabe im Vergleich zur Entwicklung von Impfstoffen gegen Krebs und genetisch bedingte Krankheiten, auf deren Heilung Hunderttausende und Millionen Menschen warten.
In den letzten Jahren haben Wissenschaftler Hunderte, vielleicht Tausende von Artikeln geschrieben, die sich den nächsten "Materialien der Zukunft" widmen - zum Beispiel Plasmonen oder DNA-Origami. Im Laufe der Zeit ließ die Aufregung nach, aber wir haben noch keine sichtbaren Ergebnisse gesehen. Warum passiert es?
- Tatsächlich würde ich nicht sagen, dass all diese Technologien verdunstet oder verschwunden sind - die Forschung geht weiter, zumindest in der Plasmonik. Von Zeit zu Zeit erscheinen Veröffentlichungen über Origami, obwohl es hier keine technologischen Perspektiven zu geben scheint. Kurzfristig scheinen beide Materialien nur Gegenstand der Grundlagenforschung zu sein.
Es lohnt sich, sich hier an die Geschichte der Erfindung des Lasers zu erinnern. Als die Physiker die ersten Laser entwickelten, sagte jemand: "Dies ist eine interessante Entdeckung, die noch auf ihre praktische Anwendung wartet." Heutzutage sind Laser überall zu finden - Laser sind in jedem Supermarkt erhältlich, sie werden zum Nähen und Schneiden von Gewebe während des Betriebs verwendet und befinden sich in jedem Computer und Kommunikationssystem.
Mit anderen Worten, oft vergehen nach einer grundlegenden Entdeckung nicht einmal Wochen oder Monate, sondern Jahrzehnte, bis es seine praktische und kommerzielle Anwendung findet.
