Nanorobotika – tai nanomokslo ir nanotechnologijų sritis, susilaukianti išskirtinio dėmesio tarp daugelio kitų mokslo šakų. Vien iš pavadinimo aišku, kad ši sritis vienaip arba kitaip yra susijusi su labai mažų robotų, gebančių atlikti tam tikrus veiksmus arba funkcijas, kūrimu. Nanorobotus galėtume apibrėžti kaip „nano-“ matmenų sistemas, sukurtas atlikti tam tikras funkcijas. Tokios sistemos turėtų nemažai privalumų, jei jas pavyktų sėkmingai pritaikyti medicinoje. Vienas iš jų tas, kad tokios nanostruktūros galėtų laisvai judėti kraujagyslėmis ir netgi įsiskverbti į bet kurią ląstelę.

Kur medicinoje galėtų būti taikomi nanorobotai?

Nors dėl sudėtingo ir ilgai trunkančio reglamentavimo dar nėra realiai sukurtų ir plačiai medicinoje pritaikytų nanorobotų, mokslininkai jau yra ištyrę daugybę galimų jų taikymo sričių:

Odontologija. Nanorobotai galėtų būti naudojami vietinei nejautrai sukelti, apsaugoti dantis nuo bakterijų, „valyti“ dantis ir taip pailginti jų gyvavimo trukmę.

Chirurgija. Chirurginiai nanorobotai, kurie „užprogramuoti“ arba iš dalies reguliuojami chirurgo, galėtų veikti kaip beveik autonominės chirurginės sistemos žmogaus organizme. Tokie įrenginiai galėtų atlikti įvairias funkcijas: aptikti patologijas, jas diagnozuoti ir net sunaikinti pakitusias ląsteles. Nanochirurgijos požymių turinčios metodikos jau dabar yra taikomos praktikoje. Pavyzdžiui, greitai vibruojanti (100 Hz dažniu) mikropipetė su mažesne nei 1 mikrono diametro adatėle jau naudojama nupjauti pasirinktų neuronų dendritus nenužudant pačios ląstelės. Neuronų aksonus pašalinanti operacija (aksotomija) taip pat atlikta ir femtosekundiniu lazeriu, po jos aksonų funkcijos buvo atkurtos. Femtosekundinis lazeris veikė kaip „nanožirklės“, lokaliai išgarinančios pasirinktus aksonus, nepažeidžiančios kitų ląstelių.

Diagnostika. Medicininiai nanorobotai galėtų atlikti platų spektrą monitoringo ir diagnozavimo užduočių tiek audiniuose, tiek kraujyje. Šie įrenginiai pasirinktose organizmo vietose galėtų stebėti svarbiausius gyvybinius parametrus, kaip antai temperatūra, slėgis, pH, cheminė kraujo sudėtis, imuninės sistemos veikla. Nanorobotai, patekę į skrandį, diagnostiniais tikslais galėtų ištirti skrandžio sieneles, identifikuoti ir panaikinti infekcijos židinius.

Genų terapija. Medicininiai nanorobotai galėtų padėti diagnozuojant genetines ligas, nustatant ląstelės DNR ir baltymų sekas. Be to, jau kuriami nanorobotai, kurie bus skirti genų pernašai į ląstelę, pasirinktų genų blokavimui ir kitoms genetinėms manipuliacijoms.

Cukrinis diabetas. Nanorobotai, skirti gliukozės koncentracijai nustatyti, būtų aprūpinti cheminiais arba biocheminiais jutikliais. Toks medicininis nanorobotas nuolat matuotų gliukozės koncentraciją kraujyje ir tam tikrais laiko momentais siųstų informaciją į išorinį įrenginį, kurio funkciją puikiai galėtų atlikti išmanusis telefonas. Taigi toks nanorobotas tiriamajam asmeniui trumpąja žinute praneštų apie gliukozės koncentraciją jo kraujyje.

Deguonies nešėjai. Dirbtiniai deguonies nešėjai galėtų iš dalies arba galbūt netgi visiškai atlikti raudonųjų kraujo kūnelių (eritrocitų) funkciją ir pernešti deguonį iš plaučių į organizmo audinius.

Dirbtiniai fagocitai. Pagrindinė tokių nanorobotų užduotis būtų sunaikinti mikrobiologinius patogenus ir surinkti kitas patogenines medžiagas, kurių kartais dėl įvairių priežasčių atsiranda kraujyje. Tokie robotai galėtų „patruliuoti“ kraujyje ir aptikti bei sunaikinti nepageidaujamus patogenus ir į kraują patekusius įvairius mikroorganizmus (pvz., bakterijas, virusus ar grybelius). Tikimasi, kad tokie nanorobotai būtų daug efektyvesni ir greitesni nei antibiotikai.

Vėžys. Viena iš svarbesnių nanorobotų taikymo sričių, kuriai mokslininkai skiria ypač daug dėmesio, yra ankstyvas vėžinių darinių diagnozavimas ir jų gydymas. Tam tikimasi panaudoti tikslinę vaistų pernašą tiesiog į vėžines ląsteles, taip pat selektyvias „nanooperacijas“.

Kaip gaminami nanorobotai

Šiuo metu mokslininkai sprendžia įvairias technines užduotis, kaip suderinti efektyviam nanorobotų veikimui būtinas funkcijas: nanoroboto komunikavimo su aplinka, nanorobotuose integruotų jutiklių veikimo, elektros energijos tiekimo, reikalingo tokiems nanorobotams, kuriuose tikimasi integruoti kokius nors nanoelektronikos komponentus, nanorobotų „variklius“ ir navigacijos sistemas, kontroliuojančias jų judėjimą, ir kitas problemas.

Dažnam skaitytojui pagalvojus apie robotus susidaro didelių metalinių, filmuose ar kompiuteriniuose žaidimuose matytų, dažniausiai į žmones panašių struktūrų vaizdiniai. O jeigu dar pridursime, kad tie nanorobotai skirti kovai su vėžinėmis arba kitomis pakitusiomis ir/ar nepageidaujamomis ląstelėmis, tai paprastai atrodo, jog tai turėtų būti labai mažas „transformeris“, apginkluotas įvairiais analizės aparatais, ginklais ir ląstelių naikinimo įrankiais. Daug tokių iliustracijų, vaizduojančių nanorobotus ir/arba jų veikimą, yra pateikiama mokslo populiarinamojoje literatūroje. Nors įvairių krypčių mokslininkai vis dažniau kalba apie nanomatmenų robotų kūrimą, turime nepamiršti, kad priešdėlis „nano“ reiškia, jog struktūros matmenys – 10-9 metro. Todėl, jei jau kalbame apie nanometrinius robotus, tai „rankas“, „kojas“ ir kokius nors mechaninius įrankius jiems „pritaisyti“ praktiškai neįmanoma, nes kai kurios tokios struktūros neišvengiamai turėtų būti maždaug atomo matmenų arba su šiais matmenimis sulyginamų dydžių. Tačiau tokios struktūros paprastai pasižymi jau visiškai kitomis mechaninėmis ir fizikinėmis savybėmis, todėl net jeigu ir pavyktų jas pagaminti ir galų gale sukonstruoti iš jų kokį nors realiai buityje veikiantį, mums gana įprastą, tik iki nanomatmenų sumažintą įrenginį (pvz., nanožirkles, nanopincetą), jis vargu ar veiktų taip, kaip jo „didysis brolis“.

Todėl, kalbant apie kokią nors funkciją atliekančius nanorobotus, nereikėtų jų įsivaizduoti kaip labai sumažintų robotų arba kokių nors kitų buityje naudojamų įrenginių kopijų. Tie, kurie svajoja ir/arba realiai tikisi kurti nanorobotus, turėtų prisiminti, kaip panašų uždavinį išsprendė gamta. Juk gyvosiose ląstelėse tiesiog knibždėte knibžda įvairias gyvybiškai svarbias funkcijas atliekančių „nanorobotų“ – prie tokių būtų galima priskirti kai kuriuos fermentus, ribosomas, įvairioms medžiagoms selektyviai laidžius baltyminius kanalus ir kt. Nors išvaizda jie toli gražu neatitinka robotų, matytų „Žvaigždžių karuose“, tačiau puikiai tvarkosi su savo užduotimis ir atlieka pačias svarbiausias gyvybines funkcijas. Nanorobotų funkcijoms įgyvendinti gali būti reikalingos tokios „detalės“ kaip jutikliai, varikliai, manipuliatoriai, elektros energijos generatoriai ir netgi molekuliniai kompiuteriai. Siekiant įgyvendinti visas šias funkcijas, vėlgi tikslinga pasimokyti iš gyvosios gamtos ir galbūt netgi panaudoti įvairius gyvosios gamtos sukurtus nanoįrankius bei nanoprietaisus. O jų pasirinkimas tikrai labai platus, nes gamtoje visos minėtos funkcijos jau ne kartą buvo įgyvendintos ir evoliucionuoja milijonus metų. Nelygu kokios funkcijos tikimės iš sukurto nanoroboto, visada galime rasti iš ko pasirinkti. Numatytas nanorobotų funkcijas gali atlikti įvairios cheminės medžiagos, kurios gali būti įkapsuliuotos į tam tikrus nanokonteinerius arba įterptos į įvairias polimerines matricas. Tokio tipo nanorobotams kurti yra naudojamos įvairios koncepcijos, pvz., antikūnais modifikuotos liposomos, polimerų konjugatai su antikūnais ir pan. Toks selektyvus atpažinimas leistų pernešti įvairias veiklias molekules ir jų darinius pasirinktų ląstelių link ir taip padidinti jų veikimo efektyvumą.

Jei reikalingi nanorobotai, kurie galėtų atlikti mechaninius judesius, tai visai neblogai tiktų tokie baltymai kaip kinezinas, kurie verčia cheminę energiją, gautą adenozino trifosfato (ATP) mokelulės hidrolizės metu, tiesiogiai į mechaninį judesį, kuris iš dalies atitinka žingsninio variklio judesį. Na, o jeigu kokiam nors nanorobotui būtinai reikalingas variklis, kuris padėtų aktyviai plaukioti kraujyje, tai tokį būtų galima pasiskolinti iš bakterijų, kur fermentas ATP-azė dideliu greičiu suka žiuželį.

Taigi akivaizdu, kad daugelyje nanorobotų visiškai nebus metalinių dalių, o labiausiai tikėtina, kad pagrindinis nanorobotų elementas bus anglis, nes šiuo metu įvairiems nanotechnologiniams tikslams jau yra taikoma daug įvairių anglies nanomedžiagų, pvz., nanodeimantai, fulerenai ir anglies nanovamzdeliai. Be to, anglis, kaip pagrindinis elementas, įeina į visų organinių medžiagų sudėtį, daugelio polimerų, visų baltymų ir kitų biologiškai aktyvių medžiagų struktūrą.

Vis daugiau mokslinių grupių pradeda konstruoti savaime susirenkančius nanorobotus tam panaudodami vienagrandės DNR sekas, kurios gali būti pritvirtintos prie įvairių robotą sudarančių komponentų; paskui, tuos komponentus supylus į tirpalą, nanorobotai patys susirenka į galutines struktūras, kurios iš tirpalo pašalinamos centrifugavimo arba filtravimo metodais. Harvardo medicinos mokykloje bandoma sukurti nanorobotus panaudojant DNR origamio principą.

DNR origamio metodika leidžia kurti įvairias struktūras iš DNR. Tai unikali technologija, ją pasitelkus galima kurti įvairius nanoįrenginius, net ir tokius, kurie galėtų lengvai aptikti pasirinktas ląsteles ir reikalui esant jas sunaikinti. Šių nanorobotų veikimo koncepcija panaši į kai kuriuos imuninės sistemos veikimo principus: ji leidžia aptikti pasirinktas ląsteles, kurios paviršiuje turi atitinkamus receptorius. Kai įvyksta receptoriaus sąveika su ligandais, prijungtais prie nanoroboto, toks nanorobotas pakeičia savo konformaciją ir išleidžia jo viduje esantį ląstelei pražūtingą turinį. Minėtas įrenginys yra maždaug 35 nm skersmens ir susideda iš 12 vidinių dalių, skirtų supakuoti nešamam turiniui ir dvi vietas ant įrenginio paviršiaus, skirtas ligandų, sudarytų iš atitinkamų DNR-aptamerų, prisijungimui. Kaip jau minėta, ligandai, sudaryti iš DNR-aptamerų, atpažįsta specifinius receptorius ląstelių paviršiuje ir sąveikaudami su jais veikia kaip jutiklis, atidarantis tokios pakuotės dangtį. Ar šie sukurti dariniai veiks gyvuose organizmuose, dar reikės ištirti, tačiau jau dabar aišku, kad DNR origamio technologija yra tikrai labai perspektyvi.

Kuriant terapinius nanorobotus dažniausiai galvojama apie tokius darinius, kurie kartu gabentų vaistų konteinerius. Tačiau, mūsų nuomone, daug efektyvesni galėtų būti tokie nanorobotai, kurie galėtų pagaminti reikalingas terapines medžiagas tiesiogiai šalia veikiamosios ląstelės ir labai dideliais kiekiais, daug didesniais, nei būtų galima sutalpinti nanomatmenų konteineryje. Tam gali būti panaudoti fermentai, kuriuos nanorobotais pristačius į reikiamą vietą lokaliai galima gaminti kai kurias terapines medžiagas panaudojant žaliavas, esančias paciento kraujyje. Šiuo metu Vilniaus universiteto mokslininkai kartu su Valstybinio mokslo ir tyrimų instituto Fizinių mokslų ir technologijų centro mokslininkų grupe vykdydami projektą NanoZym‘as kaip tik ir kuria tokius nanorobotus, kuriuose vietoje konteinerių tikimasi panaudoti fermentus.

Kita aktuali problema siekiant praktikoje pritaikyti nanorobotus yra jų paslėpimas nuo organizmo imuninės sistemos, kuri akylai saugo mūsų organizmus nuo pašalinių medžiagų bei įvairių mikroorganizmų invazijos. Taip pat akylai imuninė sistema saugo organizmą ir nuo įvairių nanorobotų invazijos, ypač jei juose yra naudojami svetimos kilmės baltymai. Kuriant tokius organizmo imuninės sistemos nematomus nanorobotus tikimasi panaudoti panašias technologijas, kurios taikomos kuriant radarų nematomus lėktuvus (Stealth technologiją). Vienas iš šios technologijos metodų yra labiausiai imuninę sistemą erzinančias dalis padengti tokiais polimerais, į kuriuos šios sistemos komponentai nereaguoja.