Нано- и биотехнологии
Наверняка многие слышали о таких молодых и развивающихся разделах науки как нано- и биотехнологии. Сейчас эти разделы становятся востребованными в самых разнообразных прикладных отраслях: от медицины до самолетостроения. Но чем именно занимаются нано- и биотехнологи? И какие перспективы открываются благодаря развитию этих наук? Об этом мы расскажем в нашей статье.
Что такое нано- и биотехнологии?
Нанотехнологии — область фундаментальной и прикладной науки и техники, практических методов исследования, анализа и синтеза с помощью контролируемого манипулирования отдельными атомами и молекулами. Иными словами, это любые способы взаимодействия с отдельными молекулами для создания чего-то нового и результат такого взаимодействия, то, что создаётся таким образом.

Основной принцип нанотехнологий заключается в том, что вещество может приобретать совершенно новые свойства, если взять очень маленькую частицу этого вещества. В контексте нанотехнологий обычно рассматриваются объекты от 1 до 100 нм (нанометр — это 10-9 метра, что в миллион раз меньше, чем маковое зёрнышко). В рамках нанотехнологий разрабатываются как новые материалы, так и разнообразные механизмы, о которых речь пойдет в следующих разделах.


Биотехнологии — дисциплина, изучающая возможности использования живых организмов для решения технологических задач, а также возможности создания генетически модифицированных живых организмов.

Всем известные ГМО (генетически модифицированные организмы), также как и любые манипуляции с геномом — это и есть биотехнологии. Также к биотехнологиям относят промышленное получение различных биологических молекул при помощи живых организмов. Например, бактерия e.coli (кишечная палочка) с модифицированным геномом может производить белок инсулин, необходимый людям, страдающим диабетом. Помимо этого, биотехнологии связаны с использованием бактерий и микроорганизмов для очистки воды, почвообразования и так далее.

В отличие от нанотехнологий, фокус в биотехнологиях не столько на размере объектов, сколько на методе получения новых объектов или модификации имеющихся.
Геном — это совокупность наследственного материала, заключенного в клетке организма
Модификация объектов, от одной клетки до комплексного организма, создание наномашин, в тысячу раз меньших, чем животная клетка, создание ксеноботов и генномодифицированных животных и людей. Все эти перспективы звучат невероятно интригующе. Но помимо новых возможностей появятся и новые поводы для беспокойства. Сможет ли человечество обрести гармонию в мире с такими технологиями?
Ксенобот — синтетические организмы, которые автоматически создаются компьютерами для выполнения определенных функций, и строятся путем объединения различных биологических тканей.

Ксеноботы имеют ширину менее 1 миллиметра и состоят только из двух элементов: клеток кожи и клеток сердечной мышцы, полученных из стволовых клеток эмбрионов лягушки. Клетки кожи представляют собой жесткую раму организма, а клетки сердца выполняют роль небольших моторов, сжимаясь и расширяясь в объёме, тем самым обеспечивая ксеноботу возможность двигаться вперёд.

В настоящее время разработанные ксеноботы способны ходить, плавать, толкать гранулы, переносить полезные грузы и работать совместно, например, чтобы собирать мусор в аккуратные кучки. Они могут выживать за счёт собственных резервов в течение нескольких недель без дополнительного питания и даже излечивать себя после разрезания.
Зачем прогнозировать будущее?
Зачем заниматься прогнозированием и вообще предсказывать развитие науки и технологий? На этот вопрос каждый может ответить по-своему, в зависимости от собственных целей и степени причастности к "строительству" будущего.

Так, подростку, выбирающему область деятельности, с которой он свяжет свою жизнь, стоит знать, какие направления активно развиваются, какие появятся в обозримом будущем, и какие специалисты будут востребованы через несколько лет. Чтобы разобраться во множестве разнообразных профессий, вызовов и достижений науки, их нужно систематизировать. Выбирая профессию, хочется иметь представление о том, какой она будет через 5, 10, 20 лет, и какое будущее ждет специалистов в той или иной области.

Глобально же прогнозирование помогает сориентироваться в постоянно меняющемся мире науки и технологий как отдельному человеку, так и государствам или мировому научному сообществу. Благодаря прогнозированию мы можем представить будущее, которое нас, вероятно, ожидает, и решить для себя, что в этом будущем для нас желательно, а что может оказаться для человечества фатальным. Исходя из научных прогнозов можно и необходимо действовать с целью достижения желаемых результатов и предотвращения опасных последствий.

Кроме того, прогнозирование необходимо для определения того, какой посильный вклад мы можем привнести в глобальный процесс формирования будущего, и вовремя этот вклад совершить.
Кто предсказал появление нанотехнологий и как прогнозировали будущее на "Архипелаге 2121"?
Одними из первых ученых, кто стали предсказывать развитие нано- и биотехнологий стали Ричард Фейнман (в 1959 г.) и Эрик Дрекслер (в 1986 г.). Что интересно, Фейнман предсказал развитие нанотехнологий — области знания, которой на момент предсказания ещё существовало! — очень точно: многие из его предсказаний уже сбылись, а над некоторыми идеями, такими как нанороботы и молекулярные ассемблеры, работают современные ученые.

На основе анализа статьи Ричарда Фейнмана "Там, внизу, полно места..." и книги Эрика Дрекслера "Машины создания" мы выделили основные направления развития нано- и биотехнологий, которые не теряют своей актуальности по сей день.

Понятие нанотехнологий успело поменяться несколько раз с момента его первого произнесения Ричардом Фейнманом в своей лекции в 1959 году. Однако что-то осталось и неизменным. В фантастике описаны удивительные версии реальности, в которых прогресс нанобиотехнологий приводит к возможности путешествовать среди звезд, жить почти безгранично долго, производить любую вещь по запросу.

Разобраться, какие из этих образов базируются на фундаментальных основаниях, а какие - пустые фантазии, было одной из задач Лаборатории нанобиотехнологий на Архипелаге 2121 в Великом Новгороде. Другой важной задачей являлся поиск границ того, что в настоящее время можно реализовать с инженерной и экономической точек зрения, а что пока что остается демонстрацией принципиальной возможности, которая существует как красивый одиночный эксперимент. Участники Лаборатории искали связи между фундаментальной наукой, государственными программами, работой корпораций, экономикой и следующим социотехническим укладом в области нано- и биотехнологий, которые еще 100 лет назад показались бы магией, а сейчас стали полем для прогноза и стратегического анализа.

В ходе работы Лаборатории мы определили перспективы развития нано- и биотехнологий, а также, основываясь на трендах развития и новейших открытиях, построили примерный прогноз на ближайшие тридцать лет. Мы рассмотрели ключевые направления нано- и биотехнологий: молекулярные машины, молекулярные фабрики, инструменты нанотехнологий, молекулярный дизайн, биомедицину, генная и клеточная инженерию. Чтобы сделать прогноз более точным и обоснованным, мы проанализировали развитие био- и нанотехнологий с момента их зарождения как отдельных наук до настоящего времени, то есть рассмотрели период времени с 1960 по 2021 год.
Как развивались нанотехнологии?
Стоит отметить, что среди открытий и достижений в сфере нано- и биотехнологий были такие, которые становились катализаторами развития всего направления или значительной его части, а также поднимали практические возможности и теоретическую базу на новый уровень. Примеры таких событий.
Открытие атомно-силовых микроскопов (АСМ), ставшее катализатором становления нанотехнологии как отдельной науки. АСМ позволили увидеть мир на наноуровне и понять, как можно выстраивать мир "изнутри" и "снизу вверх".
Подробнее
Открытие трансгенеза позволило производить манипуляции с геномом. А появившаяся после более совершенная технология умных ножниц CRISPR Cas 9, позволила с более высокой точностью изменять геном организмов. Кроме того, возможность редактирования генома позволила ученым понять, как работает реализация наследственной информации у живых организмов.
Подробнее


Первый трансгенный перенос (трансгенез) ДНК вируса обезьяны SV40 в эмбрион мыши, осуществленный Р. Янишем в 1974 стал первым шагом к созданию трансгенных фабрик микроорганизмов и их применению в биомедицине.
Подробнее
Открытие фуллерена С60 повлекло за собой создание множества новых соединений с фуллереном, что дало толчок для развития нанотехнологий и новых материалов.
Подробнее
Трансгенез — процесс введения человеком либо природой чужеродного гена, называемого трансгеном, в живой организм. При этом организм получает свойства, которые он может передавать потомству
В нашем понимании, трансгенная фабрика — это организм, который производит органические вещества для промышленности благодаря добавленным в него генам других организмов
В 2020 году ученые осуществили программирование клеток через изменение ДНК, а также были проведены опыты по созданию ксеноботов из различных клеток. Пока не ясно, к чему именно приведут эти эксперименты, однако вполне возможно, что данные опыты лягут в основу нового направления развития нанотехнологий. Для построения точного прогноза необходимо анализировать пути развития научной области с учетом подобных событий.
Каким будет мир через 30 лет?
Теоретический прогноз мы разделили на три группы:
  • Неизбежное — открытия, которые с большой долей вероятности будут сделаны, если наука продолжит развиваться в том же направлении, что и в настоящее время.
  • Вероятное — открытия, которые будут сделаны, если темпы развития науки и технологий сохранятся.
  • Предельно видимое — открытия, для совершения которых пока не хватает теоретических и практических знаний. Однако, это базовый сценарий, актуальный в случае, если за тридцать лет взгляды и мышление людей не поменяются радикально.
Неизбежное
Мы прогнозируем, что при благоприятном сценарии развития технологий в обозримом будущем неизбежно появятся молекулярные машины и фабрики, более совершенные инструменты и способы наносборки, а также новые наноматериалы. Это откроет новые пути развития промышленности и позволит перейти на качественно новый уровень материалов, используемых в разных сферах жизни. Станет возможной генная терапия наследуемых заболеваний, что, в свою очередь, приведет к увеличению продолжительности жизни и повышению ее качества.
Вероятное
В будущем вероятно создание нанороботов и наноинструментов нескольких типов, а также новых наноматериалов. Развитие генной инженерии должно привести к возможности ее применения в области биомедицины. Например, для лечения методом генной терапии генетических заболеваний, таких как болезнь Альцгеймера и эпилепсия, и аллергии, что приведет к расширению физических возможностей человека. Кроме того, развитие генной инженерии скажется на научных проектах, например, таких как генная модификация насекомых с последующим их заселением на другие планеты.
Предельно видимое
К предельно видимым достижениям мы относим возникновение молекулярных ассемблеров, какими их представлял Эрик Дрекслер, создание координирующих систем наномашин и множества инструментов с разнообразными функциями, а также суперматериалов нового поколения. Предельно видимые горизонты медицины - это отказ от лекарств в пользу более эффективных методов лечения и поиск средств для победы над хроническими заболеваниями. В области генной инженерии обозримый предел - это возможность целенаправленно изменять генотип человека для совершенствования его организма, в том числе для подготовки к полётами в космос.
Молекулярные машины
Молекулярные фабрики
Инструменты нанотехнологий
Молекулярный дизайн
Биомедицина
Генная инженерия
Неизбежное
  • Создание молекулярных машин для различных целей (медицинских, технических, бытовых и др.)
  • Разработка технических принципов работы нанороботов
Вероятное
  • Создание нанороботов нескольких типов
Предельно видимое
  • Создание ассемблеров Дрекслера
  • Возможность управления материей, её перепрограммирование
Неизбежное
  • Создание молекулярных фабрик из микроорганиз­мов на Земле и в космосе
  • Формирование экосистем из микроорганиз­мов в космосе
Вероятное
  • "Программирование" насекомых (управление ими, использование в качестве дешёвой рабочей силы)
Предельно видимое
  • Создание координирующихся между собой систем на основе молекулярных фабрик и машин
Неизбежное
Создание и совершенствование инструментов наносборок
Вероятное
Создание инертных наноинструментов для различных задач
Предельно видимое
Применение множества инструментов с разнообразными дополнительными встроенными функциями
Неизбежное
  • Моделирование и синтез новых веществ методами "запрещенной" химией
  • Разработка наноматериалов для различных сфер (для медицины, космоса и т.п.)
  • Создание и совершенствование квантовых компьютеров
Вероятное
  • Создание наноматериалов в т.ч. для военной сферы
Предельно видимое
  • Появление возможности создавать любую молекулярную структуру из атомов
  • Создание суперэффективных наноматериалов n-ного поколения
Неизбежное
  • Разработка разных систем энергофункционирования человека
  • Работа с вирусами от создания до формирования защиты от них
  • Введение в практику простой доступной функциональной диагностики организма
  • Повышение уровня здоровья и увеличение продолжительности жизни
Вероятное
  • Разработка и применение методов биосинтетической медицины для биосинтетического человека
  • Разработка различных способов борьбы с аллергическими реакциями на нано- и био- уровне
Предельно видимое
  • Появление возможности отказаться от лекарств, заменив их более эффективными средствами
  • Разработка способов выхода из хронических болезней и состояний
Неизбежное
Разработка и применение методов генной терапии наследуемых заболеваний (болезнь Альцгеймера, эпилепсия и др.)
Вероятное
  • Применение генной модификации человека для лечения различных болезней
  • Создание генно-модифицированных насекомых, использование их на других планетах
Предельно видимое
  • Применение генной модификации потомков
  • Использование генной модификации человека с целью получения сверхспособностей
  • Использование генетической модификации человека для космоса
  • Изменение насекомых, организация их сообществ для решения задач человека
В чём риск нанотехнологий?
Несмотря на преимущества, которые человечество может получить благодаря развитию нано- и биотехнологий, отношение к ним в обществе неоднозначно. Поскольку, рассматривая почти фантастические возможности, которые дает управление материей на молекулярном уровне и управление жизнью на генетическом уровне, не учитывать риски этих возможностей просто опасно.

Как любой мощный инструмент, нано- и биотехнологии могут стать страшным оружием, если будут направлены во вред или будут использоваться безответственно, неосторожно, без учета возможных последствий.

Так, например, если нанотехнологии применять в военной сфере, военные конфликты выйдут на совершенно новый уровень. Это касается всего: от экипировки солдат до оружия массового поражения. Предполагается, что может быть создана военная форма, которая сделает своего обладателя почти совсем незаметным и почти неуязвимыми, будет снабжать его организм питательными веществами и передавать напрямую нужные данные.

На данный момент уже разработаны ткани с инфракрасной ремиссией, которые сливаются с фоном в инфракрасных лучах. Подобные нововведения сделают

Другой пример — манипуляции с геномом человека. Любые искусственные изменения в генотипе могут привести к разнообразным и не всегда предсказуемым последствиям. С одной стороны, такими последствиями могут стать излечение генетических заболеваний и предотвращение серьезных нарушений в работе организма, с другой стороны, нет гарантии, что это приведет к физическим уродствам и иным, неизвестным пока сбоям в работе организма.

Другой важный вопрос — этическая уместность редактирования генома с косметическими целями, например, изменение цвета глаз и волос. Само появление возможности по желанию изменять параметры тела может привести к расслоению общества и ущемлению прав тех групп населения, кто не сможет прибегнуть к таким процедурам.
Заключение
Согласно нашему прогнозу, уже в течение ближайших 30 лет нано- и биотехнологии станут неотъемлемой частью жизни общества. Применение наноматериалов и продуктов синтеза молекулярных фабрик станет рядовым событием. Человечество выйдет на новый уровень в функциональной диагностике состояния здоровья и в борьбе с наследственными заболеваниями. Будет заметен прогресс в области работы над квантовыми компьютерами и инструментами наносборки.

Если ответственно и грамотно подойти к внедрению новых технологий в жизнь, они принесут огромную пользу, повысят качество жизни, сделают достижимыми цели, о которых сейчас можно только мечтать. Но нельзя забывать и о возможных рисках развития технологий.

Так или иначе, внедрение новых нано- и биотехнологий в обозримом будущем почти неизбежно, и значительно изменит многое в нашей жизни. Необходимо быть готовыми меняться самим в соответствии с постоянно меняющимися условиями. А один из главных принципов обращения с новыми технологиями — это ответственность за свои решения и готовность принять их последствия.

Мы верим, что за наукой будущее всего человечества, поэтому отношение государства и общества к науке должно изменится. Развитие науки и технологий потребует от каждого человека осознания возможных последствий применения тех или иных достижений, а также общего понимания действия технологий. Иначе дезинформация и появление новых теорий заговоров неизбежны. Развитие нано- и биотехнологий способно повлиять не только на технические аспекты и качество жизни, но и на общественную жизнь, на общечеловеческие ценности и взаимоотношения между людьми. Поэтому особенно важно освещать научные открытия в СМИ и развивать связь научного сообщества с широкой общественностью.
Материалы работы лаборатории
Вы можете рассмотреть схемы и карты сценариев, разработанные участниками лаборатории, скачав их в pdf-формате.
Авторы
Ангелина Лопато
Участница лаборатории "Нано- и биотехнологии"
Арина Симонова
Участница лаборатории "Нано- и биотехнологии"
Руководитель лаборатории
Ирина Просекина
Руководить ЦМИТ "STEM-Байкал"
Участники лаборатории
Василиса Сизых
Ярослав Долгих
Игорь Пельменев
Made on
Tilda