От лекарств к машинам ремонта клеток

Будучи сделанными из молекул, и имея человеческое беспокойство о нашем здоровье, мы применим молекулярные машины к биомедицинской технологии. Биологи уже используют антитела, чтобы помечать белки, ферменты – чтобы разрезать и соединять ДНК, а шприцы вирусов (такие как у вируса-фага T4) – чтобы впрыскивать отредактированную ДНК в бактерию. В будущем они будут использовать построенные ассемблерами наномашины, чтобы исследовать и модифицировать клетки.

С инструментами, подобными дизассемблерам, биологи будут способны изучить структуры клетки до конца, до молекулярных деталей. Далее они занесут в каталог сотни тысяч видов молекул тела и построят карту структуры сотен видов клеток. Во многом также как инженеры могли составлять перечень частей и создавать инженерные чертежи автомобиля, также биологи опишут части и структуры здоровой ткани. К тому времени им будут помогать сложные системы технического ИИ.

Врачи стремятся сделать ткани здоровыми, но с помощью лекарств и хирургии, они могут только стимулировать ткани себя восстанавливать. Молекулярные машины дадут возможность более непосредственного ремонта, начиная новую эру в медицине.

Чтобы починить автомобиль, механик сначала добирается до дефектного узла, затем опознает и удаляет плохие части, и наконец их восстанавливает или заменяет. Ремонт клетки будет включать те же самые основные задачи – задачи, которые живые системы уже доказали, что они возможны.

Доступ. Белые клетки крови покидают кровяное русло и движутся через ткань, а вирусы входят в клетки. Биологи даже втыкают в клетки иглы, и это их не убивает. Эти примеры показывают, что молекулярные машины могут добираться и входить в клетки.

Распознавание. Антитела и волокна хвоста фага T4, а на самом деле все специфические биохимические взаимодействия, показывают, что молекулярные системы, входя в контакт с другими молекулами, могут их распознавать.

Разборка. Пищеварительные ферменты (и другие, более жестокие химические вещества) показывают, что молекулярные системы могут разбирать поврежденные молекулы.

Восстановление. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут строить или восстанавливать любую молекулу, обнаруживаемую в клетке.

Повторная сборка. Природа также показывает, что отделенные молекулы могут быть собраны вместе снова. Например, механизмы фага T4 собирают сами себя из раствора, чему, очевидно, помогает единственный фермент. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут собирать любую из систем, обнаруживаемых в клетке.

Таким образом, природа демонстрирует все основные операции, необходимые, чтобы выполнять ремонт клеток на молекулярном уровне. Что более важно, как я описал в главе 1, системы, основанные на наномашинах, будут большей частью более компактны и обладать большими возможностями, чем обнаруживаемые в природе. Естественные системы показывают только нижние границы возможного в ремонте клеток, также как и во всём остальном.

Машины ремонта клеток

Короче говоря, с молекулярной технологией и техническим ИИ мы будем делать полные описания здоровой ткани на молекулярном уровне, и будем строить машины, способные входить в клетки, понимать и изменять их структуры.

Машины ремонта клеток будут сопоставимы по размеру с бактериями и вирусами, но их более компактные части ""позволят им быть более сложными. Они будут проходить через ткань, как это делают белые клетки крови, и входят в клетки, как это делают вирусы, или они могли бы открывать и закрывать клеточные мембраны с хирургической аккуратностью. Внутри клетки машина ремонта первым делом составит представление о ситуации, исследуя содержимое клетки и её функционирование, а далее будет предпринимать действия. Первые машины ремонта клеток будут высоко специализированными, способными распознавать и исправлять только один тип молекулярных нарушений, таких как дефицит ферментов или форма повреждения ДНК. В дальнейшем (но не намного позже, так как продвинутые системы технического ИИ будут выполнять работы по разработке) машины будут программироваться более общими способностями.

Для сложных машин ремонта будут нужны нанокомпьютеры, чтобы ими управлять. Механический компьютер шириной в микрон, такой как описан в главе 1, будет умещаться в 1/1000 объема средней клетки, однако будет вмещать больше информации, чем клеточная ДНК. В системе ремонта, такие компьютеры будут управлять более маленькими и простыми компьютерами, которые в свою очередь будут управлять машинами, направляя их на исследование, разборку и перестройку повреждённых молекулярных структур.

Отрабатывая молекулу за молекулой и структуру за структурой, машины ремонта будут способны восстанавливать целые клетки. Отрабатывая клетку за клеткой и ткань за тканью, они (с помощью больших устройств, там, где это необходимо) будут способны восстанавливать целые органы. Отрабатывая орган за органом по всему телу, они восстановят здоровье. Так как молекулярные машины будут способны строить молекулы и клетки с нуля, они будут способны исправлять даже клетки, повреждённые до степени полной неработоспособности. Таким образом с машинами ремонта клеток произойдёт фундаментальный прорыв: они освободят медицину от необходимости полагаться на самовосстановление как единственный способ лечения.

Чтобы представить себе продвинутую машину ремонта клеток, представьте себе её и клетку увеличенными так, что атомы станут размером с маленький мраморный шарик. В этом масштабе самые маленькие инструменты машин ремонта будут примерно с кончики ваших пальцев; белок среднего размера, такой как гемоглобин, будет размером с печатающую машинку; а рибосома будет размером со стиральную машину. Устройство ремонта содержит простой компьютер размером с небольшой трактор, и условия для хранения информации и приводящей в движение энергии. Объём в десять метров в диагонали – размер 3-этажного дома, содержит все эти части и более этого. С частями размером с мраморные шарики, умещённые в этот объём, машины ремонта смогут делать сложные вещи.

Но такое ремонтное устройство не работает в одиночестве. Оно, также как многие его братья и сёстры, связано с большим компьютером посредством механических связей для передачи данных, диаметром как ваша рука. В этом масштабе, компьютер размером в кубический микрон с большой памятью заполнит объем в тридцать этажей в высоту и шириной как футбольное поле. Ремонтные устройства передают ему информацию, а он предаёт обратно общие инструкции. Объекты такие большие и сложные тем не менее достаточно маленькие: в этом масштабе сама клетка будет длинной в километр, вмещая в себе тысячи объёмов компьютеров размером в один кубический микрон, и миллионы раз вмещая в себе объём отдельного ремонтного устройства. В клетках много места!

Будут ли такие машины способны делать все необходимое для восстановления клеток? Существующие молекулярные машины демонстрируют способность проходить через ткани, входить в клетки, распознавать молекулярные структуры, и т. д., но остальные требования также важны. Будут ли машины ремонта работать достаточно быстро? Если они будут, будут ли они расходовать настолько много энергии, что изжарят пациента?

Самый обширный ремонт не может требовать значительно большего количества работы чем создание клетки с нуля. Однако молекулярные машины, работающие в пределах объёма клетки всё время делают именно это, строя новую клетку за время от десятков минут (для бактерий) до нескольких часов (для млекопитающих). Это показывает, что машины ремонта, занимающие несколько процентов от объёма клетки будут способны выполнить обширный ремонт за разумное время – дни или, самое большее, недели. Клетки могут выделить необходимое пространство. Даже клетки мозга всё ещё функционируют, когда мёртвый продукт жизнедеятельности, называемый липофускином (очевидно, продукт молекулярного повреждения клеток) заполняет более десяти процентов от их объёма.

Снабжать энергией устройства ремонта будет несложно: клетки естественным образом содержат химические вещества, которые дают энергию наномашинам. Природа также показывает, что машины ремонта можно охлаждать: в вашем теле клетки постоянно себя переделывают, и молодые животные стремительно растут, не изжаривая себя выделяемым теплом. Чтобы распорядиться теплом от подобного уровня активности ремонтных машин, потеть не придётся, а если даже и придётся, то не слишком сильно, если неделя потения – это цена здоровья.

Все эти сравнения машин ремонта с существующими биологическими механизмами поднимают вопрос того, будут ли машины ремонта способными улучшить нашу природу. Ремонт ДНК даёт ясную иллюстрацию.

Также, как неграмотная ""машина по ремонту книг" "могла бы распознавать и восстанавливать порванную страницу, также ферменты ремонта клетки могут распознавать и восстанавливать разрывы и перекрёстное связывание в ДНК. Исправление ошибок записи (или мутаций), тем не менее, требовало бы способности читать. В природе не существует таких машин ремонта, но их будет легко построить. Представьте себе три идентичные молекулы ДНК, каждая из которых содержит одну и ту же последовательность нуклеотидов. Теперь представьте себе что в каждой нити произведены мутации так, что случайным образом изменен порядок нескольких нуклеотидов. Каждая нить всё ещё кажется нормальной, если её взять саму по себе. Тем не менее машина ремонта могла бы сравнить каждую нить с другой, один сегмент за другим, и могла бы заметить, когда нуклеотид не соответствует своей паре. Заменяя неправильные нуклеотиды так, чтобы они соответствовали двум остальным таким образом исправит повреждение.

Этот метод не будет работать, если две нити мутируют в одном и том же месте. Представьте, что ДНК трех человеческих клеток были тяжело повреждены – после тысяч мутаций в каждой клетке один нуклеотид на миллион был изменён. Шанс, что наша трёх-ниточная процедура коррекции не сможет помочь делу в любой данной точке примерно один из миллиона миллионов. Но сравните пять ниток сразу и шансы станут один на миллион миллионов миллионов и т. д. Устройство, которое сравнивание множество нитей сделает возможность существования неисправимых ошибок практически нулевой.

В реальности машины ремонта сравнят молекулы ДНК из нескольких клеток, сделают исправленные копии, и будут их использовать как образцы для проверки ошибок и восстановления ДНК по всей ткани. Сравнивая несколько нитей, машины ремонта разительно улучшат наши природные ремонтные ферменты.

Другие виды ремонта потребуют различной информации о здоровых клетках и о том, как конкретная поврежденная клетка отличается от нормы. Антитела идентифицируют белки при соприкосновении, и должным образом выбранные антитела могут в общем случае отличать любые два белка по их отличающимся формам и поверхностным свойствам. Машины ремонта будут идентифицировать молекулы аналогичным образом. С подходящим компьютером и базой данных, они будут способны идентифицировать белки, читая их аминокислотные последовательности.

Рассмотрим сложную и многофункциональную систему ремонта. Объем двух кубических микрон – примерно 2/1000 объема средней клетки – будет достаточно, чтобы содержать центральную базу данных системы способной:

1. Быстро идентифицировать любой из сотни тысяч или около того различных человеческих белков, исследуя короткую аминокислотную последовательность.

2. Идентифицировать все остальные сложные молекулы, обычно находимые в клетках.

3. Делать запись типа и положения каждой большой молекулы в клетке.

Каждое из меньших устройств ремонта (возможно тысяч в одной клетке) будет включать компьютер с меньшими возможностями. Каждый из этих компьютеров будет способен выполнять более чем тысяча вычислительных шагов за время, которое потребуется среднему ферменту чтобы заменить всего одну молекулярную связь, так что скорость вычислений возможно кажется более чем адекватной. Так как каждый компьютер будет на связи с большим компьютером и центральной базой данных, наличная память также кажется адекватной. Машины ремонта клеток будут иметь и молекулярные инструменты, которые им необходимы, и «мозги» в достаточном количестве, чтобы решить, как эти инструменты использовать.

Такая сложность будет даже слишком сильным средством для многих проблем здоровья. Устройств, которые просто распознают и уничтожают определенный вид клетки, например, будет достаточно, чтобы вылечить рак. Размещение сети компьютеров в каждой клетке может походить на резку масла циркулярной пилой, но наличие циркулярной пилы даёт уверенность, что даже очень твёрдое масло будет порезано. Кажется лучше показать слишком много, чем слишком мало, если кто-то стремится описать пределы возможного в медицине.

Некоторые средства

Самые простые медицинские применения наномашин будут включать не ремонт, а выборочное разрушение. Раковые образования – один из примеров; инфекционные болезни – ещё один. Цель проста: необходимо лишь распознать и уничтожить опасные репликаторы, будь то бактерии, раковые клетки, вирусы или черви. Аналогично ненормальные наросты и отложения на стенках артерий вызывают большинство сердечных заболеваний; машины их распознают, разрушат и избавление от них освободит артерии для более нормального кровотока. Выборочное разрушение также излечит заболевания, такие как герпес, при котором вирус встраивает свои гены в ДНК клетки-хозяина. Ремонтное устройство войдёт в клетку, прочитает её ДНК и удалит вставки, которые читаются как "герпес".

Восстановление молекул, поврежденных перекрёстным связыванием, будет также довольно непосредственное. Столкнувшись с белком, поврежденным перекрёстным связыванием, машина ремонта клетки сначала его идентифицирует, исследовав короткие аминокислотные последовательности, затем посмотрит правильную структура в базе данных. Далее машина сравнит белок с тем, каким он должен быть, одну аминокислоту за другой. Также как корректор в типографии находит ошибки и опечатки (опеч#тки), она найдет любые измененные аминокислоты или неправильное перекрёстное связывание. Исправляя эти дефекты, она оставит обычным белкам только выполнять нормальную работу клетки.

Машины ремонта также помогут излечению. После сердечного приступа, мертвый мускул заменяется тканью шрама. Машины ремонта стимулируют сердце вырастить новый мускул, переустановив клеточные механизмы управления. Удалив ткань шрама и управляя новым ростом, они направят сердце на исцеление.

Этот список мог бы продолжаться и продолжаться от одной проблеме к другой (Отравление тяжёлыми металлами? – Найти и удалить атомы металла), но легко сделать вывод. Физические расстройства происходят от того, что атомы расположены неправильно; машины ремонта будут способны вернуть их в рабочий порядок, возвращая тело в здоровое состояние. Вместо того, чтобы составлять бесконечный список излечиваемых болезней (от артрита, бурсита, рака и тропической лихорадки до жёлтой лихорадки и цинковой простуды и обратно), имеет смысл посмотреть на пределы того, что машины ремонта клеток могут делать. А пределы существуют.

Рассмотрим инсульт, как пример проблемы, повреждающей мозг. Предотвратить можно будет непосредственно: Является ли кровеносный сосуд в мозгу ослабленным, расширившимся и готовым лопнуть? Тогда верните ему нужную форму, и запустите рост укрепляющих волокон. Ненормальные сгустки угрожают заблокировать циркуляцию крови? Значит, растворите тромбы и нормализуйте кровь и внутренний слой кровяных сосудов, чтобы предотвратить повторение. Умеренное повреждение нейронов из-за инсульта также можно будет исправить: если сниженная циркуляция имеет ослабленную функцию, но оставляет структуру клеток неповреждённой, то восстановите циркуляцию и почините клетки, используя их структуры как руководство в восстановлении ткани в её предыдущее состояние. Это не только восстановит функцию каждой клетки, но сохранит память и способности, хранящиеся в нейронных структурах в этой части мозга.

Машины ремонта будут способны регенерировать новую мозговую ткань даже там, где повреждение разрушило эти структуры. Но пациент терял бы старые воспоминания и навыки до той степени, до которой они располагались в этой части мозга. Если уникальные нейронные структуры действительно разрушены, то машины ремонта клеток могут их восстановить не более, чем реставратор мог бы восстановить гобелен из перемешанной золы. Потеря информации вследствие разрушения структур представляет собой самое важное, фундаментальное ограничение для восстановления тканей.

Другие задачи находятся вне возможностей машин ремонта клетки по различным причинам – например, поддержание умственного здоровья. Конечно, машины ремонта клеток будут способны исправить некоторые проблемы. Расстроенное мышление иногда имеет биохимические причины, как будто мозг вводил бы себе наркотики или отравлял себя, а другие проблемы возникают из-за разрушения ткани. Но многие проблемы имеют мало общего со здоровьем нервных клеток, а зато целиком связано со здоровьем разума.

Разум и ткань мозга подобны роману и бумаге, из которой сделана эта книга. Пролитые чернила или повреждения, причинённые наводнением, могут повредить книге, делая роман, трудным для чтения. Машины ремонта книг могли бы тем не менее восстановить "физическое здоровье", удаляя инородные чернила или высушивая и восстанавливая повреждённые волокна бумаги. Однако такое лечение не имело бы ничего общего с содержимым книги, реальный смысл которого на самом деле имеет нематериален. Если книга была бы дешёвым романом с шаблонным сюжетом и пустыми словами, ремонт требовался бы не для чернил и бумаги, а для самого романа. Это бы называлось не физическим ремонтом, а больше работой для автора, может быть с некоторыми советами.

Точно так же удаление ядов из мозга и восстановление нервных волокон разрядит некоторые туманы в уме, но не переделает содержание разума. Оно может быть изменено пациентом, с усилием; все мы – авторы своих умов. Но поскольку умы изменяют сами себя, изменяя мозг, наличие здорового мозга поможет здоровому мышлению больше, чем качественная бумага способствует здоровому письму.

Читатели, знакомые с компьютерами могут предпочитать думать в терминах аппаратных средств ЭВМ и программного обеспечения. Машина могла бы восстанавливать аппаратные средства ЭВМ компьютера, не понимая и не изменяя его программное обеспечение.

Такие машины могли бы останавливать деятельность компьютера, но оставлять структуры в памяти неповрежденными и готовыми работать снова. В компьютерах с нужным видом памяти (называемой "энергонезависимой"), пользователи это делают, просто выключая питание. Работа мозга кажется более сложной, однако могли бы найтись преимущества с медицинской точки зрения в том, чтобы вызывать подобные состояния.

Анестезия плюс

Врачи уже останавливают перезапускают сознание, вмешиваясь в химические процессы, которые лежат в основе разума. На всём протяжении активной жизни молекулярные машины в мозгу обрабатывают молекулы. Некоторые разбирают на составные части сахар, комбинируют их с кислородом, и забирают энергию, которая при этом высвобождается. Некоторые перекачивают ионы соли через клеточные мембраны; иные строят маленькие молекулы и высвобождают их, чтобы давать сигналы другим клеткам. Такие процессы образуют обмен веществ мозга, итог всей его химической деятельности. Вместе со своими электрическими эффектами, этот обмен веществ лежит в основе изменяющихся структур мысли.

Хирурги оперируют людей скальпелями. В середине 1800-ых, они научились использовать химические вещества, которые вмешиваются в обмен веществ мозга, блокируя сознательную мысль и предотвращая слишком энергичное сопротивление пациентов тому, чтобы их резали. Эти химические вещества – обезболивающие. Их молекулы свободно входят и покидают мозг, позволяя анестезиологам прерывать и восстанавливать человеческое сознание.

Люди давно мечтают об открытии препарата, который бы вмешивался в метаболизм всего тела, препарат, способный прерывать метаболизм полностью в течение часов, дней или лет. Результатом было бы состояние биостаза (от био-, что значит «жизнь», и – стаз, что значит «остановка» или "стабильное состояние"). Метод продуцирования обратимого биостаза мог бы помочь космонавтам в долгих космических путешествиях, чтобы сэкономить еду и избежать скуки, или он мог бы служить чем-то вроде однонаправленной машины времени. В медицине биостаз обеспечил бы длительную анестезию, давая врачам больше времени, чтобы работать. Когда случаются несчастные случаи вдали от медицинской помощи, хорошая процедура биостаза обеспечила бы универсальный способ первой помощи: она бы стабилизировала состояние пациента и предотвратила бы безумную работу молекулярных машин и повреждение тканей.

Но никто не нашел препарата, способного полностью остановить метаболизм так, как обезболивающие останавливают сознание – то есть так, чтобы можно было полностью всё вернуть обратно, лишь вымыв препарат из тканей пациента. Тем не менее, обратимый биостаз будет возможным когда появятся машины ремонта.

Чтобы видеть, как один из возможных подходов мог бы работать, представьте, что кровяной поток несёт простые молекулярные устройства к тканям, где они входят в клетки. Там они блокируют молекулярные машины обмена веществ, в мозгу и в других местах, и связывают структуры стабилизирующими перекрёстными связями. Другие молекулярные устройства далее входят, замещая воду и упаковывая себя плотно вокруг молекул клетки. Эти шаги остановят метаболизм и сохранят клеточные структуры. Так как машины ремонта клеток будут использоваться для обращения этого процесса вспять, это может нанести умеренные молекулярные повреждения, но никакого продолжительного вреда. При остановленном метаболизме и клеточных структурах, жёстко удерживаемых на своих местах, пациент будет спокойно отдыхать, без сновидений и неизменённым, до тех пор пока машины ремонта не вернут ему активную жизнь.

Если пациент в этом состоянии был бы передан современному врачу, неосведомленному о способностях машин ремонта клетки, последствия были бы, вероятно, мрачны. Не наблюдая никаких признаков жизни, врач вероятно заключил бы, что пациент мертв, и далее воплотил бы это суждение в реальность «предписав» вскрытие, за которым последует похороны или кремация.

Но наш воображаемый пациент живет в эпоху, когда биостаз, как известно, является только приостановкой жизни, а не её концом. Когда контракт пациента говорит "Разбудите "Разубраменя!" "(Или ремонт окончен, или полет к звезды завершён), врач, ухаживающий за пациентом начинает оживление. Машины ремонта входят в ткани пациента, удаляя упаковку вокруг молекул пациента и заменяя их водой. Далее они удалят перекрёстные связи, починяя все повреждённые молекулы и структуры, и восстанавливая нормальные концентрации соли, сахара в крови, аденинтрифосфорной кислоты и т. д. Наконец, они разблокируют механизмы обмена веществ. Приостановленный процесс метаболизма продолжится, пациент зевнёт, потянется, сядет, поблагодарит доктора, узнает, какое сегодня число, выйдет за дверь и отправится восвояси.

От функции к структуре

Обратимость биостаза и необратимость серьезного повреждения из-за инсульта помогает показать, как машины ремонта клеток изменят медицину. Сегодня врачи могут только помочь тканям себя излечивать. Соответственно они должны пытаться сохранить функцию ткани. Если ткань не может функционировать, они не могут излечить. Что хуже, если ткани не сохраняются, за этим следует их порча, и в конце концов разрушение структуры. Это также, как если бы механические инструменты были бы способны работать только на работающей машине.

Машины ремонта клеток изменяют центральное требование сохранить функцию на требование сохранить структуру. Как я отметил, обсуждая инсульт, машины ремонта будут способны восстановить мозговую функцию с памятью и навыками, неповрежденными только если отличительная структура участка нейронной ткани сохраняется неповреждённой. Биостаз включает сохранение нейронной структуры в то время как тщательно блокирует функцию.

Все это – прямое следствие молекулярной природы ремонта. Врачи, использующие скальпели и лекарства могут чинить клетки не больше, чем кто-либо с киркой и банкой машинного масла, может восстановить высокоточные часы. Напротив, наличие машин ремонта и обычных питательных веществ будет подобно наличию инструментов часовщика и неограниченной поставке запасных частей. Машины ремонта клетки изменят медицину в её основе.