подразделы:
1.Жизнь, разум и машины
2.От лекарств к машинам ремонта клеток
3.Машины ремонта клеток
4.Некоторые примеры излечения
5.Анестезия плюс
6.От Функции к структуре
7.От лечения болезни к установлению здоровья
8.Болезнь по имени "старение"
Одна из того, что отличает наше от всех предыдущих поколений - это то, что мы видели атомы, из которых состоим.
КАРЛ К. ДАРРОУ, Ренессанс Физики
МЫ БУДЕМ ИСПОЛЬЗОВАТЬ молекулярную технологию, чтобы принести здоровье, потому что человеческое тело сделано из молекул. Больные, старые и раненные - все страдают того, что атомы устроены в неправильные структуры, которые появились будь то из-за вторжения вирусов, прошествия времени или свернувших с дороги автомобилей. Устройства, способные переупорядочить атомы будут способны устанавливать их в правильное положение. Нанотехнология принесет фундаментальный прорыв в медицине.
Сейчас врачи полагаются в основном на хирургию и лекарства для лечения болезни. Хирурги продвинулись от зашивания ран и ампутации конечностей к восстановлению сердца и пришиванию конечностей. С использованием микроскопов и точных инструментов, они соединяют тонкие сосуды крови и нервы. Однако даже самый лучший микрохирург не может разрезать и сшить более тонкие структуры ткани. Современные скальпели и нити для сшивания ран просто слишком грубы для починки капилляров, клеток и молекул. Рассмотрите "тонкую" хирургию с клеточной перспективы: вонзается огромное лезвие, разрубая вслепую мимо и через молекулярные механизмы огромного количества клеток, убивая при этом тысячи. Затем огромный обелиск ныряет сквозь разделенные толпы клеток, протаскивая за собой кабель, широкий как товарный поезд, чтобы связать эти толпы клеток снова. С клеточной перспективы, даже самая тонкая хирургия, выполняемая самыми тонкими скальпелями и с величайшим мастерством, все же еще работа мясника. Только способность клеток изолировать мертвые, перегруппировываться и размножаться делает лечение возможным.
Однако как слишком хорошо знают многие парализованные жертвы несчастных случаев, не все ткани заживают.
В отличие от хирургии, лекарственная терапия имеет дело с самыми тонкими структурами в клетках. Молекулы лекарств - простые молекулярные устройства. Многие воздействуют на специфические молекулы в клетках. Молекулы морфия, например, связываются с определенными рецепторными молекулами в мозговых клетках, воздействуя на нейронные импульсы, которые сигнализируют о боли. Инсулин, бета-блокираторы и другие лекарства соответствуют другим рецепторам. Но молекулы лекарств действуют без направления. Будучи один раз введенными в тело, они толкаются и ударяются везде в растворе случайным образом до тех пор, пока они не ударятся в целевую молекулу, окажутся соответствующими и прилипнут, воздействуя на ее функцию.
Хирурги могут видеть проблемы и планировать действия, но у них имеются грубые инструменты; молекулы лекарств воздействуют на ткани на молекулярном уровне, но они слишком просты, чтобы ощущать, планировать и действовать. Но молекулярные машины, управляемые нанокомпьютерами предложат врачам иную альтернативу. Они объединят датчики, программы и молекулярные инструменты, чтобы образовывать системы, способные исследовать и восстанавливать элементарные компоненты отдельных клеток. Они дадут хирургический контроль в молекулярную область.
Эти продвинутые молекулярные устройства появятся лишь через годы, но исследователи, мотивируемые потребностями медицины, уже изучают молекулярные машины и молекулярный инжиниринг. Лучшие лекарства воздействуют на определенные молекулярные машины определенными способами. Пенициллин, например, убивает некоторые бактерии, предотвращая работу наномашин, которые бактерии используют для постройки стенок своей клетки, и при этом он почти не воздействует на человеческие клетки.
Биохимики изучают молекулярные машины, чтобы и научиться, как их строить, и научиться как их разрушать. Во всем мире (и особенно в странах третьего мира) отвратительное разнообразие вирусов, бактерий, простейших, грибов, и червей паразитируют на человеческой плоти. Подобные пенициллину, безопасные эффективные лекарства от этих болезней нейтрализовали бы молекулярные машины, оставляя молекулярные машины человека нетронутыми. Доктор Сеймур Соген, профессор фармакологических наук из SUNY (Стони Брук, Нью-Йорк) утверждает, что биохимики должны систематически изучать молекулярные машины этих паразитов. Как только биохимики определили форму и функцию жизненно важной белковой машины, в большом числе случаев они могут разработать молекулу, сделанную так, чтобы блокировать ее действие и разрушать ее. Такие лекарства могли бы освободить человечество от таких древних ужасов как schistosomiasis и проказа, и от таких новых как СПИД.
Фармацевтические компании уже переделывают молекулы, основываясь на знании того, как они работают. Исследователи компании Апджон разработали и сделали измененные молекулы вазопрессина - гормона, который состоит из короткой цепи аминокислот. Вазопрессин усиливает работу сердца и снижает скорость, с которой почки вырабатывают мочу; это увеличивает кровяное давление. Исследовании разработали модифицированные молекулы вазопрессина, которые воздействуют на молекулы-рецепторы в почках в большей степени, чем на молекулы-рецепторы в сердце, придавая им более специфический и контролируемый медицинский эффект. Еще более недавно, они разработали модифицированные молекулы вазопрессина, которые присоединяются к рецепторным молекулам почек, не оказывая прямого эффекта, таким образом блокируя и подавляя действие естественного вазопрессина.
Потребности медицины будут двигать эту работу вперед, мотивируя исследователей предпринимать дальнейшие шаги по проектированию белка и молекулярному инжинирингу. Давление и медицинских, и военных, и экономических факторов толкают нас в одном и том же направлении. Еще даже до ассемблерной революции молекулярная технология будет давать нам впечатляющие успехи в медицине; тенденции в биотехнологии это гарантируют. Однако, эти успехи будут в целом постепенными и труднопредсказуемыми, и каждое будет использовать свое небольшое поле в биохимии. Далее, когда мы применим ассемблеры и системы технического ИИ к медицине, мы получим широкие способности, которые легче предвидеть.
Чтобы понять эти способности, рассмотрим клетки и их механизмы самовосстановления. В клетках вашего тела, естественные радиация и вредные химические вещества расщепляют молекулы, производя химически активные молекулярные фрагменты. Они могут ошибочно присоединяться к другим молекулам в процессе, называемом перекрестным связыванием. Также как шарики и капельки клея повредили бы машину, так же радиация и химически активные фрагменты повреждают клетку, и разрушая молекулярные машины и склеивая их.
Если ваши клетки не могли бы восстанавливать себя, повреждение быстро убило бы их или сделало бы их неконтролируемыми, повреждая их системы управления. Но эволюция благоприятствовала организмам с машинами, способными что-то делать с этой проблемой. Самовоспроизводящаяся производственная система, описанная в главе 4, чинила себя путем замены поврежденных частей; клетки делают то же самое. До тех пор, пока клеточная ДНК сохраняется неповрежденной, она может производить безошибочные ленты, которые направляют рибосомы на сборку новых белковых машин.
К нашему сожалению, сама ДНК повреждается, что ведет к мутациям. Ремонтирующие ферменты до некоторой степени компенсируют повреждения ДНК, обнаруживая и восстанавливая некоторые их виды. Такой ремонт помогает клеткам выживать, но существующие механизмы ремонта слишком просты, чтобы исправлять все проблемы, будь то в ДНК или где-то еще. Ошибки накапливаются, внося свой вклад в старение и смерть клеток, а также самих людей.
Жизнь, разум и машины
Имеет ли смысл описывать клетки как "машины", будь то самовосстанавливающиеся, или нет? Так как мы сделаны из клеток, могло бы казаться унизительным сводить людей к ""просто машинам", что противоречит холистическому пониманию жизни.
Но словарное определение "холизма" - ""теория, что действительность составлена из органичных или объединенных целых, которые есть больше, чем простая сумма их частей." "Это, конечно, применяется к людям: просто сумма наших частей, без разума и жизни, походила бы на гамбургер.
Человеческое тело включает приблизительно 1022 белковых частей, и ни одна машина такой сложности не заслуживает ярлыка "просто". "Любое краткое описание такой сложной система не может не быть весьма неполным, однако на клеточном уровне описание в терминах машин смысл имеет. Молекулы имеют простые движущиеся части, многие из которых действуют подобно знакомому роду машин. Клетки, рассматриваемые как целое, могут казаться менее механическими, однако биологи находят полезным описать их в терминах молекулярных машин.
Биохимики раскрыли то, что когда-то было главными тайнами жизни, и начали заполнять детали. Они проследили, как молекулярные машины расщепляют молекулы пищи на их составные части и затем повторно собирают эти части, чтобы строить и обновлять ткани. Многие детали структуры человеческих клеток остаются неизвестными (отдельные клетки содержат миллиарды больших молекул тысяч различных видов), но биохимики нанесли на карту каждую часть некоторых вирусов. Биохимические лаборатории часто вешают на стену огромную диаграмму, показывающую, как основные молекулярные строительные блоки плавают внутри бактерии. Биохимики понимают в деталях многое из жизненных процессов, а то, что они не понимают по-видимому действует по тем же самым принципам. Тайна наследственности превратилась в индустрию генной инженерии. Даже эмбриональное развитие и память сейчас объясняются в терминах изменения в биохимии и клеточной структуре.
В последние десятилетия само качество нашего остающегося незнания изменилось. Когда-то, биологи смотрели на жизненный процесс и спрашивали: "Как это может быть?" "Но сегодня они понимают общие принципы жизни, и когда они изучают специфический жизненный процесс, они обычно спрашивают: "Из многих способов, как это может быть, какой выбрала природа?" Во многих случаях их исследования сузили конкурирующие объяснения в какой-либо области до одного. Определенные биологические процессы - координация клеток для образования растущего эмбриона, обучающегося мозга и реагирующей иммунной системы - все еще представляют серьезную задачу для воображения. Однако это не потому, что есть какая-то глубокая тайна в том, как работают их части, но из-за громадной сложности того, как их многие части взаимодействуют друг с другом, чтобы образовывать целое.
Клетки подчиняются тем же самым естественным законам, которые описывают и остальную часть мира. Белковые машины в правильном молекулярном окружении будут работать, остаются ли они в функционирующей клетке или эта клетка была ли размолота и размыта многие дни назад. Молекулярные машины ничего не знают о "жизни" и "смерти".
Биологи, когда им нужно, иногда определяют жизнь как способность расти, воспроизводиться и реагировать на раздражители. Но по этому стандарту, глупая система самовоспроизводящихся фабрик могла бы квалифицироваться как жизнь, в то время как сознательный искусственный интеллект, смоделированный на человеческом мозге мог бы так не квалифицироваться. Являются ли вирусы живыми или они "просто" очень совершенные молекулярные машины? Никакой эксперимент не может об этом сказать, потому что природа не проводит никакой линии между живым и неживым. Биологи, которые работают с вирусами, вместо этого задают вопрос о жизнеспособности: "Будет ли этот вирус функционировать, если ему дать возможность?" Ярлыки "жизнь" и "смерть" в медицине зависят от медицинских возможностей: врачи спрашивают: "Будет ли пациент функционировать, если мы приложим все усилия?" Когда-то врачи объявляли пациентов мертвыми как только останавливалось сердце; теперь они объявляют пациентов мертвыми, когда они теряют надежду на восстановление мозговой деятельности. Успехи в кардиологии когда-то изменили определение; успехи в медицине мозга изменят его еще раз.
Также некоторые люди чувствуют себя некомфортно с идеей, что машины лежат в основе нашего мышления. Слово "машина" снова, кажется, вызывает неправильный образ - картину чего-то большого, гремящего металлом, а не мерцание сигналов вдоль бегущей волны или нейронным волокнам, по живой ткани, более сложной чем способен полностью понять разум, который она воплощает. Действительно подобные машинам машины мозга имеют размер молекул - меньше, чем самые тонкие волокна.
Целое не обязательно должно походить на свои части. Твердый кусок чего-нибудь едва ли походит на танцующий фонтан, однако совокупность твердых, бугристых молекул образует текучую воду. Подобным образом миллиарды молекулярных машин образуют нейронные волокна и синапсы, тысячи волокон и синапсов образуют нервную клетку, миллиарды нервных клеток образуют мозг, а сам мозг воплощает текучесть мысли.
Сказать, что разум - это "всего лишь "молекулярные машины" "- подобно высказыванию, что Мона Лиза является "только мазками краски. "Такие утверждения путают части с целым, и путают материю со структурой, которую материя воплощает. Мы нисколько не менее человечны из-за того, что сделаны из молекул.
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 всем 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 ее 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 поврежденных 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, поврежденные до степени полной неработоспособности. Таким образом с машинами ремонта клеток произойдет фундаментальный прорыв: они освободят медицину от необходимости полагаться на самовосстановление как единственный способ лечения.
Чтобы представить себе продвинутую машину ремонта клеток, представьте себе ее 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. Объем в десять метров в диагонали - размер 3-этажного дома, содержит все эти части и более этого. С частями размером с мраморные шарики, умещенные в этот объем, машины ремонта смогут делать сложные вещи.
Но такое ремонтное устройство не работает в одиночестве. Оно, также как многие его братья и сестры, 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 предает 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 объемов компьютеров размером в один кубический микрон, и миллионы раз вмещая в себе объем 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 объема клетки все 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 объема клетки будут способны выполнить обширный ремонт за разумное время - дни или, самое большее, недели. Клетки могут выделить необходимое пространство. Даже клетки мозга все еще функционируют, когда мертвый продукт жизнедеятельности, называемый липофускином (очевидно, продукт молекулярного повреждения клеток) заполняет более десяти процентов от их объема.
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 придется, а если даже и придется, 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 дает 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 перекрестное 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 все еще кажется нормальной, если ее 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 изменен. Шанс, что наша трех-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 дает уверенность, что даже очень твердое 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 - еще 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 войдет в клетку, прочитает ее ДНК и удалит вставки, которые читаются как "герпес".
Восстановление молекул, поврежденных перекрестным связыванием, будет также довольно непосредственное. Столкнувшись с белком, поврежденным перекрестным 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 перекрестное 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 тяжелыми 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 желтой 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 неповрежденной, то восстановите циркуляцию и почините клетки, используя их структуры как руководство в восстановлении ткани в ее 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, причиненные 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 поврежденные 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 дешевым 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 всем 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 все 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 несет 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 перекрестными 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, жестко удерживаемых на своих местах, пациент будет спокойно отдыхать, без сновидений и неизмененным, 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 ее концом. Когда контракт пациента говорит "Разбудите "Разубраменя!" "(Или ремонт окончен, или полет к звезды завершен), врач, ухаживающий за пациентом начинает оживление. Машины ремонта входят в ткани пациента, удаляя упаковку вокруг молекул пациента и заменяя их водой. Далее они удалят перекрестные связи, починяя все поврежденные 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 зевнет, 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 неповрежденной. 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 ее основе.
От лечения болезни к установлению здоровья
Медицинские исследователи сейчас изучают болезни, часто ища способы предотвратить их или полностью обратить вспять, блокируя ключевой шаг в процессе развития болезни. Получающееся в результате знание очень помогло врачам: они теперь выписывают инсулин для компенсации диабета, противогипертонические препараты для предотвращения инсульта, пенициллин, чтобы лечить инфекционные заболевания, и так далее, весь список впечатляет. Молекулярные машины помогут в изучении болезней, однако делают понимание болезни намного менее важным. Машины ремонта сделают более важным понимание здоровья.
Тело может болеть большим числом способов, чем быть здоровым. Здоровая ткань мускула, например, различается достаточно малым количеством способов: она может быть сильнее или слабее, быстрее или медленнее, иметь тот или иной антиген и т.д. Поврежденная ткань мускула может различаться всеми этими способами, однако также страдает от любой комбинации из деформаций, разрывов, вирусных инфекций, паразитических червей, синяков, проколов, ядовитых веществ, сарком, изнуряющих болезней и врожденных уродств. Аналогично, хотя нейроны переплетаются таким же количеством способов, сколько существует человеческих мозгов, отдельные синапсы и дендриты существуют в умеренном спектре форм, если они здоровы.
Как только биологи опишут нормальные молекулы, клетки и ткани, должным образом запрограммированные машины ремонта будут способны вылечить даже неизвестные болезни. Как только исследователи опишут диапазон структур, которые (например) может иметь здоровая печень, машины ремонта, исследуя плохо работающую печень будут нуждаться только в обнаружении различий и их исправлении. Машины, не знающие какой-либо новый яд и его эффекты будут распознавать его как инородный и удалять его. Вместо того, чтобы бороться с миллионом странных болезней, продвинутые машины ремонта будут устанавливать состояние здоровья.
Разработка и программирование машин ремонта клеток потребует больших усилий, знаний и навыков. По-видимому, будет более легко построить машины ремонта с широкими способностями, чем их запрограммировать. Их программы должны содержать детальную информацию о сотнях видов клеток и сотнях тысяч видов молекул человеческого тела. Они должны быть способны наносить на карту поврежденные клеточные структуры и решать, как их исправить. Как много времени займет разработка таких машин и программ? На вскидку, состояние биохимии и ее сегодняшний темп продвижения вперед мог бы сказать, что сбор самого основного знания займет века. Но мы должны принимать во внимание существование иллюзии, что продвижения будут приходить в одиночку.
Машины ремонта ворвутся с волной других технологий. Ассемблеры для их постройки будут сначала использоваться, чтобы строить инструменты для анализа структур клетки. Даже пессимист согласился бы, что люди-биологи и инженеры, вооруженные этими инструментами могли бы построить и запрограммировать продвинутые машины ремонта клеток за сотню лет непрерывной работы. Самоуверенный, дальновидный пессимист мог бы сказать о тысяче лет. Действительно убежденный противник мог бы объявить, что работа заняла бы для людей миллион лет. Очень хорошо: в миллион раз более быстрая система технического ИИ в миллион раз более быстрая, чем ученые и инженеры, значит она разработает продвинутые машины ремонта клеток за один календарный год.
Болезнь по имени "старение"
Старение естественно, но также была естественна оспа и наши усилия, чтобы ее предотвратить. Мы победили оспу, и, кажется, победим старение.
Средняя продолжительность жизни возросла увеличилась за последнее столетие, но в основном, потому что лучшая санитарная профилактика и лекарства сократили заболевания бактериальной природы. Непосредственно продолжительность жизни увеличилась немного.
Однако, исследователи продвинулись в направлении понимания и замедления процесса старения. Они идентифицировали некоторые из причин, такие как неконтролируемое перекрестное связывание. Они разработали частичные решения проблемы, такие как антиоксиданты и ингибиторы свободных радикалов. Они предположили и изучили другие механизмы старения, такие как "клеточные часы" и изменения в гормональном балансе организма. В лабораторных экспериментах специальные препараты и диеты увеличивали продолжительность жизни мышей на 25-45 процентов.
Такая работа будет продолжаться; по мере того как поколение 50-х стареет, ожидайте бума в исследовании старения. Одна компания в сфере биотехнологии, Сенетек Дания, специализируется в исследовании старения. В апреле 1985, Истман Кодак и Ай-Си-Эн Фармасьютикал, как сообщали, присоединились к проекту на 45 миллионов долларов по производству изоприсина и других препаратов, имеющих возможность по продлению продолжительности жизни. Результаты обычных исследований против старения на протяжении следующих десяти-двадцати лет могут значительно продлить человеческую продолжительность жизни и улучшить здоровье пожилых людей. Насколько сильно лекарства, хирургия, упражнения и диета могут продлить продолжительность жизни? На сегодняшний день оценки все еще вынужденно остаются догадками. Только новое научное знание может вывести такие предсказания из царства умозрительных заключений, поскольку они опираются на новую науку, а не просто на новую технологию.
С машинами ремонта клетки, однако, возможности продления жизни становятся ясными. Они будут способны восстанавливать клетки, пока их специфические структуры остаются неповрежденными, и будут способны заменить клетки, которые были разрушены. Так или иначе, они будут восстанавливать здоровье. Старение по сути ничем не отличается от любого другого физического расстройства; в нем нет никакого волшебного влияния календарных дат на мистическую жизненную силу. Хрупкие кости, морщинистая кожа, низкая ферментная активность, медленное заживление ран, плохая память и все остальное - все происходит из повреждения молекулярных машин, химических дисбалансов и нарушения порядка в структурах. Восстанавливая структуру всех клеток и тканей тела до такой, как в молодости, машины ремонта восстановят и здоровье, как в молодости.
Люди, кто доживет невредимыми до времен машин ремонта клетки, будут иметь возможность восстановить здоровье юности и поддерживать его почти столько, сколько они этого желают. Конечно, ничто не может дать человеку (или чему-нибудь еще) продолжаться вечно, но предотвращая серьезные несчастные случаи, те, кто этого хотят, смогут жить долгое, долгое время.
По мере того, как технология развивается, приходит время, когда ее принципы становятся понятными, а с ними многие из их следствий. Принципы ракетной техники были ясны в 1930-ых, а с ними и следствие - космический полет. Заполнение деталей включало разработку и тестирование баков, двигателей, приборов и т.д. К началу 1950-х годов многие детали были известны. Древняя мечта полета на Луну стала целью, которую можно было ставить в планы.
Принципы молекулярных машин уже ясны, и с ними следствие - машины ремонта клетки. Заполнение деталей будет включать разработку молекулярных инструментов, ассемблеров, компьютеров и т.д., но многие детали существующих молекулярных машин известны сегодня. Древняя мечта достижения здоровья и долгой жизни стала целью, которую можно ставить в планы.
Медицинские исследования ведет нас, шаг за шагом, по дороге к молекулярным машинам. Глобальная конкуренция, чтобы сделать лучшие материалы, электронику и биохимические инструменты подталкивает нас в том же самом направлении. Разработать машины ремонта клеток займет годы, но путь прямой и они ждут нас в его конце.
Они принесут много возможностей, и для доброго и для злого. Достаточно лишь подумать о репликаторах военного назначения со способностями, такими как у машин ремонта клетки, чтобы взгляду открылись кошмарные возможности. Позже я буду описывать, как мы могли бы избежать таких ужасов, но прежде кажется разумным рассмотреть предполагаемые выгоды от машин ремонта клеток. Так ли уж хорошо то благо, которое они несут? Как может долгая жизнь повлиять на мир?
