De Amerikaanse chemicus Chad Mirkin, die dit jaar de RUSNANOPRIZE-prijs ontving, vertelde RIA Novosti hoe zijn nanodeeltjes het tijdperk van de genetische geneeskunde openen, rimpels op het gezicht van vrouwen gladstrijken en ons van kanker genezen, en hij deelde ook zijn mening over hoe wanneer nanomachines de wereld kunnen vernietigen.
Chad Mirkin is een van de toonaangevende Amerikaanse chemici die betrokken zijn bij de ontwikkeling van nanodeeltjes die zijn samengesteld uit bolvormige DNA-moleculen en combinaties van DNA of RNA met metalen en andere anorganische materie. Naast 'organische' nanotechnologie werkt Mirkin actief aan de ontwikkeling van technologieën voor het 'printen' van nanostructuren, die kunnen worden gebruikt om elektronica en optische apparaten te vervaardigen.
Mirkin werd beschouwd als een van de belangrijkste kanshebbers voor de Nobelprijs voor de Scheikunde 2013 en is in het verleden ook genomineerd voor de RUSNANOPRIZE-prijs, die sinds 2009 door Rusnano wordt uitgereikt voor wetenschappelijke en technologische ontwikkelingen of uitvindingen op het gebied van nanotechnologie die al in massaproductie zijn geïntroduceerd.
Tsjaad, genetici worden vaak geconfronteerd met acute sociale afwijzing bij het ontwikkelen van ggo's of gentherapie, maar nanotechnologie in het algemeen en de nanodeeltjes op basis van bolvormige DNA-moleculen die je hebt ontwikkeld, hebben dit probleem niet. Waarom gebeurt het?
- In dit geval is er naar mijn mening een fundamenteel verschil tussen het creëren van nanodeeltjes en de ontwikkeling van genetisch gemodificeerde producten. De studie van de eigenschappen en de creatie van nanodeeltjes behoort allereerst tot het aantal chemische onderzoeken, ze kunnen de resultaten worden genoemd van de zoektocht naar nieuwe en nuttige eigenschappen in sommige structuren die niet in de natuur bestaan of die het resultaat zijn van miniaturisatie, met behulp van verschillende methoden voor hun creatie.
Alle materialen veranderen bijvoorbeeld hun eigenschappen wanneer ze worden geminiaturiseerd. Vooral goud verliest zijn gouden kleur en wordt rood op nanoschaal. Dit is precies waarom nanotechnologie zo interessant voor ons is. Al deze verschillen die ontstaan tijdens de transitie naar de nanoschaal kunnen worden gebruikt om nieuwe, nog niet eerder vertoonde technologieën te ontwikkelen.
Aan de andere kant is DNA-bewerking wereldwijd geïmplementeerd, met behulp van specifieke biochemische processen, waarvan de gevolgen zeer duidelijk zijn gedefinieerd en die de manier waarop levende organismen werken voor altijd veranderen. Dit creëert ethische dilemma's en trekt de aandacht van toezichthouders en mensen die zich zorgen maken over de langetermijngevolgen van dergelijke ervaringen.
Natuurlijk zijn er mensen die bang zijn voor de verdere ontwikkeling van nanotechnologie, maar om bovenstaande redenen is het buitengewoon moeilijk (en oneerlijk voor ons) om alle nanodeeltjes op dezelfde grootte te brengen en ondubbelzinnige ‘conclusies’ te trekken dat absoluut alle nanotechnologieën per definitie slecht zijn. Als je erover nadenkt, kan het concept van "nanotechnologie" bijna alles omvatten wat de wetenschap de afgelopen jaren heeft gecreëerd. Bovendien, als je alleen maar naar "gewone" chemie kijkt, dan werkt het met moleculen waarvan de afmetingen kleiner zijn dan de structuren die we nanomaterialen noemen.
Promotie video:
Wat we bijvoorbeeld hebben gemaakt, zijn strikt genomen geen nanodeeltjes, maar, zoals ik ze graag noem, 'sferische nucleïnezuren', een nieuw type nanostructuren die we creëren door korte DNA- en RNA-moleculen op sjablonen van een bepaalde vorm en ontwerp te plaatsen. … Ze hebben geen natuurlijke equivalenten, maar tegelijkertijd reageren ze op een buitengewoon ongebruikelijke en vooral nuttige manier op levende materie en cellen. Ze kunnen worden beschouwd als een triomfantelijke versmelting van chemie, biologie en nanotechnologie.
Dergelijke nanodeeltjes kunnen worden gebruikt om een groot aantal problemen op te lossen - ze kunnen worden gebruikt om medicijnen aan cellen af te leveren, kanker te genezen en de cellen ervan te herstellen, ziekten te diagnosticeren en andere dingen. Je kunt ze natuurlijk aanpassen voor schade, maar dat is niet wat we doen bij Northwestern University.
U bent in het verleden al genoemd als een van de kandidaten voor de Nobelprijs en dit jaar werd deze uitgereikt voor een van de belangrijkste ontdekkingen op het gebied van nanotechnologie. Denk je niet dat je onverdiend bent vergeten?
- In feite werd de prijs dit jaar toegekend voor een ontdekking die niets met ons onderzoek te maken heeft - hij werd onder meer ontvangen door een van mijn universiteitscollega's, Fraser Stoddart. Feringa, Savage en Stoddart werkten aan het maken van moleculaire machines - extreem ruwe miniatuuranalogen van mechanische rotors en schakelaars, die dezelfde taken konden uitvoeren als conventionele machines, maar dan op nanoschaal.
We kunnen zeggen dat de "Nobelprijs" naar nanotechnologie ging, maar je moet begrijpen dat dit wetenschapsgebied erg breed is en een zeer breed scala aan problemen omvat, van milieubescherming, geneeskunde tot energie en elektronica. In dit geval zijn deze nanotechnologieën ver verwijderd van wat we doen.
Als we het hebben over de Nobelprijs, dan kan ik niets zeggen - het is niet mijn voorrecht om te beslissen wie die krijgt, laat het de experts van het Nobelcomité doen.
Een van de prijswinnaars van dit jaar, Ben Feringa, gelooft dat het onwaarschijnlijk is dat nanomachines de mensheid ooit zullen bedreigen. Wat is uw mening over deze kwestie waar mensen als eerste aan denken als ze nadenken over de gevaren van nanotechnologie?
- Nogmaals, als je aandacht besteedt aan wat ze dit jaar de Nobelprijs hebben gegeven, kun je zien dat deze werd toegekend voor een zeer fundamentele ontdekking. Ik denk dat we ons nu in het zeer vroege stadium van de chemische evolutie van nanotechnologie bevinden, die ver verwijderd is van de mogelijkheden van de machines die worden beschreven in het beroemde scenario van "grijze klodder".
In feite is het idee dat machines uit de hand lopen en rebelleren pure sciencefiction die niets met wetenschap te maken heeft. Ik denk dat het nog lang in het kader van fictie zal blijven. Waar we vandaag mee en aan werken is helemaal niet vergelijkbaar met wat nodig is voor een dergelijk scenario van de “dag des oordeels”.
De machines die Feringa en collega's hebben gemaakt, zijn erg schematisch en lijken helemaal niet op de "nano-terminators" die sciencefictionschrijvers gebruiken om ons bang te maken. We hebben nog minstens decennia, zo niet eeuwen, voordat een dergelijk scenario het onderwerp van serieuze discussie wordt.
Op welke gebieden van nanotechnologie verwacht u in de nabije toekomst de belangrijkste doorbraken?
- Onze nanosferische nucleïnezuren zullen en worden al gebruikt voor verschillende doeleinden en in een grote verscheidenheid aan takken van wetenschap, geneeskunde en industrie. Ze worden al gebruikt voor diagnostiek in de geneeskunde - we hebben bijvoorbeeld nanodeeltjes gemaakt met goudkernen, bedekt met een DNA-“bontjas”, die worden gebruikt als tags voor een uiterst nauwkeurige zoektocht naar bepaalde segmenten van DNA, eiwitten en andere biomoleculen die verband houden met ziekten en verschillende bio-moleculen. - "doelen".
Dergelijke deeltjes kunnen worden gebruikt voor snelle analyse van speeksel-, bloed- of urinemonsters en het zoeken naar verschillende virussen, bacteriën of zelfs genetisch bepaalde ziekten daarin. Dit alles, benadruk ik, wordt al in de praktijk toegepast.
In de toekomst wacht ons nog meer - we maken holle DNA-nanodeeltjes gevuld met medicijnen of een andere stof die cellen kan binnendringen, wat gewone DNA- en RNA-moleculen niet kunnen. Dergelijke nanodeeltjes kunnen bijvoorbeeld worden toegevoegd aan huidcrème en worden gebruikt om meer dan 200 huidziekten te behandelen die verband houden met DNA-afbraak. Evenzo kunnen we colitis, ziekten van de ogen, blaas of longen bestrijden. Het tijdperk van genetische geneeskunde komt eraan.
Het is de moeite waard hier te begrijpen dat er drie dingen nodig zijn om op dit gebied succesvol te zijn. Ten eerste moet je RNA- en DNA-moleculen kunnen maken, en we doen deze taak al 30 jaar goed. Ten tweede moet u begrijpen waarom mutaties in bepaalde genen ziekten veroorzaken. Dit probleem werd opgelost in de vroege jaren 2000, toen de decodering van het menselijk genoom was voltooid.
Het derde ding ontbrak echter tot voor kort: het vermogen om DNA en RNA in die weefsels en organen te introduceren waar ze naartoe moesten. En het bleek dat nanodeeltjes de handigste en betrouwbaarste manier zijn om dit probleem op te lossen. Onze bolvormige nucleïnezuren waren in staat om cellen zo gemakkelijk binnen te dringen als geen enkel retrovirus ooit zou kunnen.
Nu hebben we de mogelijkheid om DNA te wijzen in de organen die ons interesseren, en niet alleen in de lever, zoals voorheen, en dit opende voor ons voorheen ondenkbare vooruitzichten voor gentherapie. We hebben niet eens de selectiviteit van de werking van het medicijn nodig, omdat we DNA rechtstreeks kunnen injecteren waar we het nodig hebben, in plaats van door het hele lichaam te gaan.
Een van je beroemdste ontdekkingen is het maken van kristallen uit DNA. Heeft u een industriële toepassing voor dergelijke constructies gevonden of is dit tot nu toe een fundamentele ontdekking?
- Kristallen uit DNA zijn een van de meest interessante dingen die we hebben kunnen creëren. Als de "Nobelprijs" voor nanotechnologie zou bestaan, dan zou de methodologie voor de productie ervan naar mijn mening het meest waardig zijn.
We raakten in 1996 geïnteresseerd in deze kristallen om redenen die ver buiten de geneeskunde en de biologie lagen. We testten een concept dat toen nieuw was, waarin werd gesteld dat nanodeeltjes kunnen worden beschouwd als een soort kunstmatige atomen, en dat DNA in dit geval fungeerde als een soort programmeerbare 'subatomaire' deeltjes, op basis waarvan nanodeeltjes, 'atomen', waarvan de chemische eigenschappen werden bepaald zouden DNA-moleculen op hun oppervlak zijn.
De flexibiliteit van de eigenschappen van dergelijke nanodeeltjes maakte het voor ons mogelijk om letterlijk kristallen te ontwerpen met een bepaalde structuur, ze atomair atomair samen te stellen met subnanometernauwkeurigheid, inclusief het creëren van dergelijke kristalroosters, waarvan de analogen in de natuur niet bestaan. In de loop der jaren hebben we 500 verschillende versies van deze roosters gemaakt, waarvan er zes volledig kunstmatig zijn. Dit maakt de weg vrij voor totale controle over materiaaleigenschappen en een eindeloze verscheidenheid aan kunstmatige kristallijne materialen.
Vanuit het oogpunt van hun praktische toepassing gaan we nog steeds alleen in deze richting. De eerste katalysatoren en optische apparaten op basis van deze kristallen zullen naar mijn mening over ongeveer 10 jaar verschijnen. Het is belangrijk dat, en net als in het geval van moderne elektronica, waarvan de creatie onmogelijk was zonder de mogelijkheid om silicium eenkristallen te vervaardigen, het creëren van DNA-kristallen de weg opent voor een nieuwe klasse van technologieën.
Toen je sprak over het maken van nanobolletjes van DNA-moleculen, zei je dat ze voor verschillende doeleinden kunnen worden gebruikt, waaronder het gladstrijken van rimpels. Waren cosmetische bedrijven geïnteresseerd in deze ontwikkeling?
- Ja, veel bedrijven hebben al interesse getoond in deze toepassing van bolvormige DNA-moleculen. Vanuit cosmetisch oogpunt is het potentieel van nanodeeltjes bijna onbeperkt - met hun hulp kunnen we de huid elastischer maken, donkere vlekken verwijderen, cellen van pigmentmoleculen reinigen en ervoor zorgen dat de huid stopt met het produceren ervan, en ook veel andere problemen oplossen.
Maar er is hier een groot probleem: het is niet duidelijk hoe de veiligheid van dergelijke producten zal worden beoordeeld en gereguleerd door de bevoegde autoriteiten, aangezien ze zowel farmaceutische als cosmetische problemen kunnen oplossen. Wie verantwoordelijk is voor hun verificatie en hoe dit zal gebeuren, is nog niet duidelijk.
Bovendien is de ontwikkeling van cosmetica op basis van nanodeeltjes uit DNA vanuit het oogpunt van bedrijfsontwikkeling en simpelweg vanuit een algemeen menselijk standpunt een secundaire taak vergeleken met het creëren van vaccins tegen kanker en genetische ziekten, waarvan honderdduizenden en miljoenen mensen verwachten dat ze er vanaf zullen komen.
Wetenschappers hebben de afgelopen jaren honderden, misschien wel duizenden artikelen geschreven over de volgende "materialen van de toekomst" - bijvoorbeeld plasmonen of DNA-origami. Na verloop van tijd nam de opwinding af, maar we hebben nog geen zichtbare resultaten gezien. Waarom gebeurt het?
- In feite zou ik niet zeggen dat al deze technologieën zijn verdampt of verdwenen - het onderzoek gaat door, althans in plasmonics, er verschijnen van tijd tot tijd publicaties over origami, hoewel er hier geen technologische vooruitzichten lijken te zijn. Op korte termijn lijken beide materialen slechts het onderwerp van fundamenteel onderzoek te zijn.
Het is de moeite waard om hier de geschiedenis van de uitvinding van de laser te onthouden. Toen natuurkundigen de eerste lasers maakten, zei iemand dat "dit een interessante ontdekking is die nog op praktische toepassing wacht". Tegenwoordig zijn lasers overal te vinden - lasers zijn in elke supermarkt, ze worden gebruikt om weefsel te naaien en te snijden tijdens operaties, en ze zitten in elk computer- en communicatiesysteem.
Met andere woorden, vaak na een fundamentele ontdekking, niet eens weken of maanden, maar decennia gaan voorbij voordat het zijn praktische en commerciële toepassing vindt.
