Вирус наноробот для управления людьми
Обновлено: 25.04.2024
При излишнем возбуждении человеку автоматически впрыскивают успокоительное
Алгоритм срабатывания нанобота, который выделяет лекарство в организм таракана по мысленной команде человека (опыты проводились на тараканах). Слева внизу показана структура экспериментального протокола, в котором значения 1 и 0 соответствуют наличию или отсутствию когнитивной активности у человека, а справа внизу — классификация реального наличия/отсутствия мозговой активности по классификации рабочего протокола SLACC
Во время экспериментальных испытаний наголовный сканер запрограммировали распознавать не какую-то определённую активность мозга, а любую активность. То есть в отсутствие мозговой активности передатчик ЭМИ не получал никаких команд, а при появлении мозговой активности — вступали в действие наноботы в организме и впрыскивали таракану лекарство (опыты проводились на тараканах). Испытания прошли успешно.
Нанороботы выделили лекарство в организм этого таракана усилием человеческой мысли. Фото: National Geographic Photo Ark/Getty
Главной инновацией в этой научной работе является конструкция нанобота, разработанного из молекул ДНК по методу оригами с помощью компьютерной программы caDNAno 2.0 (файлы для изготовления ДНК-нанороботов приложены к научной работе). Роботы изготовлены из молекул ssDNA, взятых у вируса-бактериофага M13mp18 в качестве каркаса, остальные части изготовлены под заказ компанией Integrated DNA Technologies. Фолдинг роботов-оригами производился в трис-ацетатном буфере (стандартном буферном растворе) при стандартном температурном цикле для фолдинга.
Измерение с помощью проточной цитометрии показало, что роботы не разрушаются после открытия замка. На диаграмме справа внизу показано количество закрытых роботов в потоке (чёрным), открытых роботов (зелёным) и дистанционно активированных роботов (маджентой).
Кроме того, следует разработать более компактные портативные мозговые сканеры, которые человек может носить постоянно каждый день. Авторы изобретения предполагают, что такие устройства будут выглядеть довольно стильно, как спортивная повязка на лбу. А в роли излучателя ЭМИ выступит, например, фитнес-браслет.
Учёные полагают, что такая технология в будущем может найти применения для лечения психических болезней, в том числе шизофрении. Алгоритм можно настроить на определение разных видов мозговой активности: «Алгоритм может отслеживать состояние мозга, которое лежит в основе СДВГ или шизофрении, например. Его можно модифицировать под ваши нужды, — говорит Шахар Арнон (Sachar Arnon), член научно-исследовательской группы из Межотраслевого центра в Герцлии.
Другими словами, лекарство будет выпущено в организм человека ещё до того, как человек осознал необходимость принять лекарство. Это особенно полезно в тех случаях, когда человек не в состоянии осознать такую необходимость.
Научная работа израильских учёных опубликована 15 августа 2016 года в журнале PLoS ONE (doi:10.1371/journal.pone.0161227).
Идея постоянного, круглосуточного подключения человек к интернету не нова. Учёные и футурологи сходятся в том, что это станет возможным при определённом уровне развития нейроинтерфейсов. Сейчас уже удалось добиться первых скромных успехов в получении информации от мозга, но как её транслировать в него? Одним из способов могут стать крохотные нанороботы, заполнившие поверхность мозга и способные транслировать в обе стороны информацию, в том числе визуальную и слуховую.
Постсингулярное будущее
Многие спросят, к чему обсуждать столь причудливую технологию из фантастической книги? Какие-то нанороботы в голове, доступ к мыслям и знаниям, всё это слишком оторвано от реальности. Но так ли это невозможно и надуманно на самом деле?
Нейроинтерфейсы разрабатываются последние лет 40, и определённых результатов достичь всё же удалось. Если предельно обобщить, то современные разработки представляют собой программно-аппаратный комплекс, состоящий из наголовных датчиков, регистрирующих мозговую активность, и ПО, интерпретирующего получаемую информацию. Основные усилия разработчиков сейчас направлены на создания всевозможных нейроимплантатов, которые помогли бы парализованным, инвалидам и людям с некоторыми тяжёлыми заболеваниями. Причём речь не только об имплантатах, управляющих движением, но и о приборах, позволяющих обрести слух и зрение.
Нейронет: зло или благо?
Если Курцвейл окажется более-менее прав в своих предсказаниях, то в течение жизни одного поколения мы получим массовую технологию подключения к сети с помощью нейроинтерфейса, схожую с той, что описывается в книге Рюкера. Как можно оценивать пересечение этого технологического рубежа с наших сегодняшних позиций?
Экология от этого только выиграет. Причём вовсе не из-за снижения энергопотребления. Доступная сверхреалистичная виртуальная реальность станет своеобразным ментальным и эмоциональным убежищем для сотен миллионов людей. А это почти наверняка приведёт с падению потребления всего и вся. Иными словами, пошатнутся основы современной экономики, зиждущейся на постоянном увеличении продаж. А низкие продажи означают падение производства. Соответственно, человечество будет генерировать меньше мусора и потреблять меньше всевозможных ресурсов.
Те же самые нанотехнологии могут привести к прорыву и в сфере возобновляемых источников питания. Например, есть надежда на скорое появление топливных ячеек наноразмера. Вероятно, удастся и радикально повысить эффективность солнечных панелей.
Но всё же угроза злонамеренного искусственного интеллекта пока довольно эфемерна. А вот хакинг с помощью нейроинтерфейса — нет. И к этой проблеме, которая обязательно возникнет, надо будет готовиться заранее. Можно пофантазировать и представить, как из военных лабораторий могут выйти нанороботы, занимающиеся извлечением железа, цинка и меди из человеческих тел. Искусственный вирус.
Но наибольшее опасение вызывает наша собственная человеческая сущность. Привлекательность виртуальной реальности может оказаться настолько неотразимой, что мы быстро погрязнем в гедонизме. Подключившись, люди будут овощами лежать на диванах, мало двигаться, спать и питаться, не говоря уже о гигиене. Здравствуй, Матрица.
Закупорка кровеносного сосуда и некроз тканей раковой опухоли в течение 72 часов после ввода ДНК-роботов в кровеносную систему мыши
Молекулы ДНК оказались отличной основой для проектирования и конструирования механических молекулярных устройств, способных реагировать на внешние сигналы — и осуществлять определённые действия в зависимости от них. В последние годы учёные провели успешные эксперименты с ДНК-роботами в качестве транспортных средств и зондов для формирования изображений. Эксперименты проводились в культивированной среде из выращенных клеток, на насекомых и нематодах Caenorhabditis elegans. Но до сих пор ни разу опыты с целевой доставкой лекарств не ставились на млекопитающих.
В то же время с 2003-2005 годов известно, что успешной стратегией по лечению рака является селективная закупорка кровеносных сосудов опухоли, чтобы лишить её питательных веществ и кислорода — и запустить лавину смерти опухолевых клеток. ДНК-роботы идеально подходят для выполнения такой задачи. Более того, эта стандартная стратегия работает для многих видов рака, поскольку кровеносные сосуды, питающие раковые клетки твёрдой опухоли, по сути одинаковые.
Коллектив китайских учёных впервые провёл такой эксперимент на млекопитающих (мышах). Они сконструировали роботов методом ДНК-оригами и загрузили их молекулами тромбина. Это сериновая протеаза, важнейший компонент системы свёртывания крови человека и животных. Тромбин регулирует агрегацию тромбоцитов путём активации тромбоцитов и преобразования циркулирующего фибриногена в фибрин, из-за чего происходит быстрая закупорка кровеносного сосуда (тромбоз).
Дизайн и описание наноробота с тромбином. ДНК-оригами реагирует на нуклеолин и разворачивается в прямоугольный лист. Его заполняют молекулами тромбина, сворачивают в трубку и в закрытом состоянии пускают по кровеносным сосудам. Прибыв на место закупорки, робот реагирует на нуклеолин, раскрывается и освобождает молекулы тромбина (яркие пятна на фотографии внизу, сделанной сканирующим атомно-силовым микроскопом, масштабная метка соответствует 100 нм)
Метод ДНК-оригами позволяет создавать рациональный дизайн и производство наноструктур нужного размера, формы и функциональности. Учёные провели эксперимент на живой мыши с раковой опухолью молочной железы человека — и доказали эффективность таких роботов в реальном применении. Роботы успешно заблокировали конкретный кровеносный сосуд, питающий опухоль, и не тронули другие сосуды.
Для доказательства, что роботы не причиняют вреда и более крупным млекопитающим, были проведены дополнительные эксперименты на карликовых домашних свиньях (мини-пигах), которые очень похожи на человека по анатомии и физиологии. Свиньям провели инъекции ДНК-роботов стандартной мышиной терапевтической дозы (150 юнитов на свинью). Поскольку у свиней не было опухоли, то роботы свободно циркулировали в сосудах и не сработали. Не замечено никаких аномалий в системе кровообращении и параметрах свёртывания крови. Некоторые аномалии замечены при повышении дозы до 350 юнитов, но они оказались временными и тромбоза жизненно важных органов не произошло.
Карликовая домашняя свинья
Как показано на иллюстрации вверху, наноробот представляет собой самосборную нанотрубку с несколькими функциональными элементами. Она разворачивается в прямоугольный лист размером 90×60×2 нанометра.
Робот изготавливается из геномной ДНК бактериофага М13. Это вирус, который поражает бактерии Escherichia coli (кишечная палочка). ДНК данного вируса — популярный инструмент для конструирования различных наноструктур. Ранее проводились эксперименты с разновидностями таких роботов, которые способны нести в себе полезную нагрузку из разных протеинов. Например, их используют в процессе сборки нанопроводов из оксида кобальта в батареях, а также для упаковки углеродных нанотрубок в плотные пучки, которые применяются в фотогальванике.
Научная статья опубликована 12 января 2018 года в журнале Nature Biotechnology (doi: 10.1038/nbt.4071, pdf).
Приток ионов кальция в нейронах в результате возбуждения последних термомагнитным способом — с помощью переменных магнитных полей в присутствии магнитных наночастиц.
В нейронауке не обойтись без прямого воздействия на мозг. Мы часто видим подопытных мышей или обезьян, из головы которых торчит громоздкая конструкция, и из неё тянется кабель. В медицине, связанной со стимуляцией мозга, картина похожая: врачи вставляют людям электроды, чтобы заставить клетки работать. Это все ещё грубо, неудобно и чревато. Но ситуация скоро изменится: разработан метод, позволяющий безопасно стимулировать скопления клеток в любом месте мозга, включая глубокие зоны. Технология не требует вживления электродов и способна произвести революцию в нейромедицине. Важность разработки пока видна не всем — российские журналисты, пишущие о науке, не обратили на неё должного внимания. Но мы непременно расскажем.
Чтобы оценить его красоту и значение, необходимо взглянуть на ситуацию в этой области исследований.
Не электродом единым
Глубокая стимуляция мозга. Электроды вводятся в голову и достигают глубоких структур.
В группу неинвазивных входят разные способы считывания электроэнцефалограммы (ЭЭГ) мозга с помощью электродов, прилагаемых к коже. Стимуляция постоянным током также не требует вмешательства — ток в буквальном смысле течёт между двумя электродами, касающимися головы в разных точках. Отметим и технологию транскраниальной магнитной стимуляции (ТМС), где возбуждение и торможение верхних слоёв коры достигается при помощи магнитного поля. Сходных результатов можно добиться, воздействуя на мозг слабым фокусированным ультразвуковым лучом.
Эксперименты по ультразвуковой стимуляции проводились в СССР ещё в 1970-е годы, но потом их оставили, и в наши дни метод возвращается в науку уже силами американцев и европейцев. С помощью ультразвука можно улучшить восприятие человека и даже стимулировать отдельные нервные пути, вызывая соматосенсорные ощущения. Канадские учёные смогли открыть ультразвуком гематоэнцефалический барьер (что важно для доставки лекарств), а австралийские убрали амилоидные бляшки в мозге мышей-моделей синдрома Альцгеймера.
Свет и нанотехнологии решают
Оптогенетика. Оптоволоконный кабель доставляет свет в мозг.
Так оптогенетика элегантно решила вечную проблему нейрофизиологов — как включать и выключать клетки выбранного типа, ведь в тканях нейроны разных типов часто перемешаны. Все прочие методы не избирательны и действуют в пределах досягаемости на все клетки. Сегодня учёные ставят опыты, невозможные 10 лет назад. Например, путём стимуляции изучают функции нейронов конкретного типа в выбранном месте мозга. Лечение станет прицельным: затронет только нужные группы клеток и только в заданный промежуток времени.
При очевидных плюсах оптогенетики её инвазивность остаётся минусом — чтобы осветить клетки, череп приходится вскрывать. Метод не требует вживления электродов, но свет проникает в ткань лишь на несколько миллиметров. Чтобы стимулировать глубокие слои мозга, нужно тянуть к ним оптоволокно.
Частицы излучают тепло в ответ на действие магнитного поля. С частотой 500 кГц поле меняет знак, что приводит к их нагреванию. Физика процесса основана на магнитном гистерезисе — тепловая энергия выделяется за счёт смены вектора магнитных моментов в наночастицах. Цепь событий выглядит так: включение магнита — нагрев частиц — реакция белков на тепло — разрядка нейрона.
Вся инвазивность сводится к инъекции, что гораздо лучше постоянно вставленного электрода или оптоволоконного кабеля. Что касается наночастиц, медики давно используют их в диагностике. В малых количествах они безопасны и выводятся из организма естественным путём. Слабое магнитное поле также безвредно (нас ежесекундно пронизывают ЭМ поля разной частоты), и для него проницаема любая область мозга. В сумме это означает, что глубокая стимуляция (DBS) в будущем может стать простой и удобной процедурой. Люди смогут включать магнит дома — например, чтобы снизить депрессию.
Дальше — только лучше
Пока нас не унесло в научную фантастику, сделаем ряд оговорок. Термомагнитная стимуляция сейчас в статусе подтверждённой идеи (proof-of-concept). Учёные показали: магнитным полем за счёт переноса тепла от наночастиц можно возбуждать нервные клетки в живом мозге. Чтобы довести идею до технологии, нужно разработать генератор поля для людей. Желательно сократить время отклика нейрона — пока нагревание и передача тепла занимает пять секунд. Для обычных задач терапевтической стимуляции это не играет роли, но в других случаях будет критичным (эпилепсия, интерфейсы).
Проблему можно решить путём создания частиц с более эффективным излучением тепла, что позволит — по словам исследователей — ускорить нагрев в 5—10 раз. Ещё один резерв — прикрепить частицы к мембранам клеток, чтобы их разделяло минимальное расстояние. В эксперименте они плавали во внеклеточном пространстве, и перенос тепла по нему занимал время. Окружение мембраны частицами сократит его ещё в несколько раз.
Наука получает удобный инструмент фундаментальных исследований. Провода не нужны, и ничто не мешает животным двигаться. Опыты со свободным поведением будут проводить в пространстве, куда просто подаётся магнитное поле. Мыши с частицами в мозге внешне неотличимы от обычных, но включение магнита активирует у них нужные участки мозга. Такими экспериментами учёные займутся летом 2015-го.
В планах — создание нескольких видов частиц. Их спроектируют под разные параметры переменных магнитных полей. Частицы можно доставлять к нейронам избирательно, в зависимости от того, какие белки у них на мембране (какие гены экспрессируются). Такой подход позволит неинвазивно управлять клетками разных типов в любом месте мозга, просто меняя параметры поля. Это будет посильнее оптогенетики.
К чему готовиться
Почему об этом стоит думать? Потому что стимуляция обещает стать главным инструментом лечения неврологических болезней, вытеснив лекарства. Ещё одну заманчивую перспективу открывает исследование биологов из Университета Дюка. Они показали, что нейроны могут запускать нейрогенез из присутствующих в мозге стволовых клеток. Иными словами, нервные клетки контролируют производство других нервных клеток. Быть может, врачи смогут восстанавливать и омолаживать нервную ткань, подавая сигналы определённому классу нейронов. В целом будущее нейромедицины лежит в области диалога с нервной системой.
Язык для такого диалога пока не разработан. В ближайшие годы нейробиологи будут исследовать, как кодируется и передаётся информация внутри нейросетей. Благодаря их усилиям появятся новые знания и технологии, и ими затем воспользуется медицина. В первую очередь медицина тех стран, которые готовы инвестировать в фундаментальную и прикладную науку. Граждане тех стран, что не готовы или не могут, будут читать об этом в прессе.
Обзор
Представьте то время, когда введенные в организм человека наномашины смогут вылечить смертельные заболевания или даже приблизить бессмертие. Ученые считают, что через десятилетия это будет обычным делом. А как думаете вы?
Автор
Редакторы
Генеральным спонсором конкурса, согласно нашему краудфандингу, стал предприниматель Константин Синюшин, за что ему огромный человеческий респект!
Спонсоры публикации этой статьи — Надежда и Алексей Браже.
Около 20 000 лет тому назад человек
начал одомашнивать растения и животных.
Сейчас наступило время одомашнивать молекулы.
Сьюзан Линдквист.
Наномедицина — что это?
Наряду с нанороботами из алмазоидов, биоинженеры планируют активно создавать нанороботов из клеточных органелл и других биологических объектов: с митохондриями вместо аккумуляторов, миозиновыми волокнами для движения белковых жгутиков, рибосомами для синтеза необходимого белка, антителами для распознавания молекул, молекулами ферментов, вакуолями с самостоятельно синтезированным лекарственным веществом. Фактически это будет искусственно сконструированная живая клетка с заданными функциями [7], [8]. Геномика и протеомика развиваются такими темпами, что получение биологических нанороботов будет эффективным добавлением к механическим нанороботам.
Несмотря на все достижения науки, действующие и эффективные конструкции нанороботов пока не разработаны и находятся на стадии задумок и проектирования. Есть три основных момента, на которых должны сосредоточиться ученые: навигация, питание и передвижение нанитов по кровеносным сосудам. Нанотехнологи рассматривают различные варианты для каждого из этих аспектов.
1. Навигация нанороботов
Внешние навигационные системы могут использовать множество различных методов, чтобы доставить наноробота в нужное место. Один из таких методов — применение ультразвуковых сигналов для обнаружения местоположения наноробота и направления его в место назначения. Врачам отправляли бы ультразвуковые сигналы в тело пациента и регистрировали их, работая на специальном оборудовании с ультразвуковыми датчиками.
Используя магнитно-резонансную томографию (МРТ), врачи могли бы определять местонахождение наноробота и отслеживать его по магнитному полю.
2. Питание нанороботов
Также существует предположение по дополнению функции митохондрий глюкозным механохимическим реактором.
3. Передвижение нанороботов
В настоящее время уже разработано несколько нанодвигателей различных типов, которые в будущем смогут обеспечить нанороботам перемещение в пространстве. Одним из таких двигателей является диэлектрофорезный наномотор [9]. Работа двигателя построена на процессе притягивания и отталкивания частиц в сильном неоднородном электростатическом поле.
Другой вариант нашли израильские и немецкие ученые из Технологического института Технион (Израиль), Института интеллектуальных систем Макса Планка (Германия) и Института физической химии университета Штутгарта (Германия). В статье, опубликованной в сентябрьском выпуске ACS Nano 2014 года, израильская и немецкая команда объявила, что им удалось создать крошечный винтообразный придаток, который может двигаться в гелеобразной жидкости, имитирующий окружающую среду внутри живого организма [10]. Форма нанопропеллера далека от форм пропеллеров, которые мы привыкли видеть. Исследователи придали своему нанодвигателю форму спирали, которая представляет собой закрученную нить из кварца и никеля. Ширина спирали составляет 70 нанометров, а длина — 400 нанометров. Такие размеры делают спираль нанодвигателя в 100 раз меньше диаметра клетки крови человека. При этом управление происходит за счет переменного магнитного поля, полностью исключающего какие-либо виды облучения человеческого организма. Меняя параметры данного поля, ученые регулируют направление и скорость движения механизма, доставляя его точно в заданную точку тела.
Прототипы нанороботов
С каждым годом микроробототехника существенно продвигается вперед. Только за последнее десятилетие в этой сфере появилось сразу несколько прорывных технологий.
1. ДНК-нанороботы
2. Наноробот — морской гребешок
Видео 1. Движение созданного калифорнийскими учеными прототипа наноробота.
Они развивали скорость около 60 микрометров в секунду, были способны покидать пределы желудка и закрепляться на стенках кишечника, где высвобождали наночастицы из лекарственных препаратов. Согласно данным, полученным в ходе эксперимента, наноботы оставались прикрепленными к стенкам кишечника в течение 12 часов, даже несмотря на прием пищи подопытным животным, что является доказательством их эффективности.
Рисунок 4. Скорость магнитных пловцов с различным количеством бусин.
Видео 2. Нанороботы-трансформеры, созданные в Университете Дрекселя, США.
По образу и подобию
Читайте также: