Респироциты: искусственные механические красные кровяные клетки

Автор: Robert A. Freitas Jr., ведущий исследователь IMM

        На сегодняшний день биохимия газового транспорта человека ясна. Кислород и углекислота (диоксид углерода - СО₂) переносятся от легких к тканям и наоборот посредством красных кровяных клеток. Гемоглобин, основной белок эритроцитов, может реверсивно (т.е. как присоединять, так и отдавать молекулы) присоединять к себе кислород, формируя оксигемоглобин. 95% О₂ переносится именно таким путем, а 5% растворяется в плазме. СО₂ также может реверсивно соединяться с гемоглобином, образуя карбаминогемоглобин. В составе этого соединения переносится около 25% СО₂, 10% растворяется в плазме, а еще 65% переносится внутри эритроцитов в виде бикарбонат ионов, получающихся после гидратации СО₂. 

        Роль красных кровяных клеток состоит в основном в переносе О2 и СО2 от легких к тканям и наоборот. Так зачем нужно заменять "родные" эритроциты, которые прекрасно справляются со своей задачей, механическими роботами? 

• Во - первых, они долговечней и прочней. 
  
• Во - вторых - не повержены старению и генетическим заболеваниям. 
  
• В - третьих - они могут полностью контролировать весь газовый транспорт в человеческом теле - от легких до тканей. 
  

        Таких причин на самом деле еще больше. Мы покажем остальные далее, по ходу рассмотрения конструкции и работы респироцитов. Главное - они смогут противостоять многим болезням и генетическим отклонениям, возникающих в кровеносной системе человека. По сути дела, это часть нового "нестареющего организма", находящегося под постоянным контролем нанороботов. 

Что же представляет собой респироцит? 

        Это "насосная станция" диаметром в 1 микрон (мкм) из атомов углерода, собранных атом-за-атомом по кристаллической решетке алмаза, что и придает роботу высокую прочность. Столь малый размер обусловлен тем, что респироцит должен иметь доступ во все ткани и капилляры. Наноробот не может быть больше, чем 8 мкм, т.к. это средний диаметр капилляров; да и кровяные эритроциты имеют вид вогнутых дисков с размерами 7,82х2,58 мкм. 

        Так как основная задача респироцита - газовый транспорт, то они выполнены в виде емкости для хранения О2, СО2, СО2, Н2О и глюкозы. Сферическая форма позволит давлению газов равномерно распределяться по поверхности респироцитов. Энергию респироциты будут черпать из взаимодействия глюкозы с кислородом. Получаемая при этом механическая энергия будет передаваться к насосам загрузки/выгрузки газов, механокомпьютеру и сенсорам по каналам передачи энергии. Глюкоза, как и остальные вещества и газы, хранится в специальных емкостях, называющихся "танками" или баками. Объем этих емкостей рассчитывается в зависимости от рабочего давления в них с помощью уравнения Ван-дер-Ваальса. Так как респироцит изготовлен из алмаза (или сапфира), то его поверхность отличается высокой прочностью, что позволит повысить давление газов в баках до 1000 атмосфер (атмосфер). Вообще, решение уравнения Ван-дер-Ваальса для кислорода, азота и углекислоты дает семейство решений, благодаря которым давление газов можно увеличить от 1 до 10 000 атм но во избежание механической деформации респироцита было выбрано оптимальное значение - 1000 атм. 

        Как мы видим, основная функция респироцитов состоит в накоплении и отдаче в кровяную плазму молекул газов. Для наполнения резервуаров можно использовать устройство, работающее наподобие насоса, которое представляет собой ротор, сортирующий молекулы (далее - МСР). Он детально описан Э. Дрекслером в его книге «Nanosystems». Каждый ротор имеет “гнезда” по окружности, конфигурированные под определенные молекулы. Находясь в плазме крови, “гнезда” селективно связывают молекулы газов, воды и глюкозы и удерживают их до тех пор, пока молекула не окажется внутри респироцита. От “гнезда” ее отсоединяет стержень, расположенный внутри ротора. Молекулярный Сортирующий Ротор (МСР) представлен на рис. 1.

         Такие роторы могут быть спроектированы из 105 атомов и иметь размеры порядка (7х14х14 нм) при массе 2х10-21 кг. Они смогут сортировать молекулы, состоящие из 20 и менее атомов со скоростью 106 молекул/сек при энергозатратах в 10-22 Дж на 1 молекулу. МСР позволяет создавать давление в 30 000 атм потребляя 10-19 Дж. Роторы полностьюобратимы и поэтому могут быть использованы как для нагнетания так и для выгрузки газов, воды и глюкозы. Каждый ротор имеет 12 “гнезд” для присоединения молекул, расположенных по длине окружности ротора. Несколько МСР, объединенных в каскад (рис. 2), позволят нагнетать в резервуары химически чистые вещества, в которых не будет ни одной чужеродной молекулы. См. рис. 2 

        Молекулярный Сортирующий каскад “Гнезда” роторов имеют специфическую структуру и будут производиться путем конструирования атом-за-атомом по примеру строения активных центров некоторых ферментов. 
Так фермент гексокиназа, разрывающий молекулу 6-ти углеродной глюкозы на две 3-х углеродные молекулы при гликолизе, имеет присоединительные “гнезда” для глюкозы. Для того, чтобы наноробот имел достаточную подвижность в плазме крови и не “всплывал” из-за находящегося в нем кислорода и других газов, в нем предусмотрена емкость для водяного балласта. Накопление молекул воды позволит респироциту менять свою массу и, соответственно, погружаться или всплывать со скоростью 0,1-0,6 мм/час. Нагнетание и выпускание воды регулируется компьютером, который, в зависимости от показаний сенсоров о местоположении в крови, будет определять необходимую массу респироцита. 

 
        Во всех биосистемах гликолиз глюкозы дает КПД в среднем 68%. В респироците КПД будет немного меньше - 50%. Двигатель, работающий на механохимической реакции кислорода с глюкозой (далее глюкозовый мотор) способен полностью заполнить резервуары с О2 за 10с, потребляя при этом 3х10-13 Вт. Размер глюкозового мотора 42х42х175 нм и он состоит из 108 атомов (при массе 10-18 кг). Емкость для топлива (глюкозы) имеет размеры 42х42х115 нм. Этого количества топлива хватает для работы респироцита в режиме максимального использования энергии на протяжении 10с. Энергия от мотора передается механически (с помощью стержней, шпинделей и редукторов) или гидравлически (с помощью рабочей жидкости). Процесс работы мотора и передачи энергии полностью управляется компьютером. Связь с нанороботом будет осуществляться путем приема им акустически модулированных колебаний, которые принимаются механическими приемниками, расположенными на поверхности механической клетки. Предполагается использовать для этой цели ультразвуковые модулированные колебания с частотой около 10 МГц. 

        Приемные устройства состоят из 105 атомов, выполнены в форме куба и имеют размер 21 нм. Передача сигналов внутри респироцита достигается посредством стержней или гидросистемами с рабочей жидкостью внутри. Для получения информации о состоянии окружающей плазмы крови нужны различные сенсоры. Самая простая конструкция такого сенсора представлена на рис. 3.

 
        Сортировка ведется со скоростью 1% от скорости МСР. Причем счетный ротор связан с компьютером. Сенсор состоит из 500 000 атомов и имеет размеры 45х45х10 нм и может посчитать 100 000 мол/сек глюкозы или 30 000 мол/сек углекислоты или 2000 мол/сек кислорода. Для подсчета количества газа и горючего внутри резервуаров респироцита также устанавливаются сенсоры. Главная вычислительная система респироцита - механокомпьютер. Он управляет работой всех бортовых систем - нагнетанием и выпуском газов; работой роторов и каксадов; работой с балластными емкостями; распределением энергии и управлением работой глюкозового мотора; преобразованием в данные сигналов сенсоров и команд, поступающих извне; самодиагностикой, активацией протоколов неисправности и постоянной коррекцией своей работы in vivo (т.е. работой в живом организме). Все это может обеспечить механокомпьютер со скоростью обработки информации 104 бит/сек. Такая производительность примерно соответствует транзисторному компьютеру IBM 1620 (1960 г.). 

        Для механокомпьютнра нанометрических размеров ожидаются следующие показатели ~500 бит/сек/нм3 и 1018 бит/сек/Вт с плотностью памяти 5 бит/нм3. Каждый 104 бит/сек CPU (Central Processor Unit - центральный процессор) занимает обьем ~104 нм3 и потребляет ~10-14 Вт (3% от максимального выхода мощности глюкозового мотора). А 500 килобит памяти будут требовать ~105 нм2. Использование реверсивной логики заметно снизит используемую мощность. 

        Общая компоновка респироцита представлена на рис. 4, рис. 5 и рис. 6. Отдельно дано изображение сечения робота по экватору и полюсу. Так как весь наномеханизм состоит из 12-ти повторяющихся насосных станций, то достаточно рассмотреть компоновку одной из них (рис. 6). С помощью компьютерной анимации можно увидеть, какими будут эти нанороботы (рис. 7), а также, увидеть их в сравнении с эритроцитами (рис. 8).

 Рис. 6 Поперечный разрез 

(взято из "Nanomedicine", Robert A. Freitas, Jr.)

 
        Общее количество МСР - 29 160, внутренних сенсоров - 150, внешних - 288. На каждую станцию приходится по 1-му глюкозовому мотору и емкости с горючим. Как и говорилось выше, диаметр респироцита - 1мкм, масса пустого робота - 3,556х10 в минус 16-ой степени кг, а заполненного - 7,18х10-16кг. Причем в этой модели кислород хранится отдельно от углекислоты. 

    Среднее человеческое тело содержит 3х10 в 13-той степени эритроцитов; каждая красная кровяная клетка содержит 2,7х10 в 8-ой степени молекул гемоглобина, который, в свою очередь, присоединяет к себе 4 молекулы кислорода. Суммарное количество молекул кислорода в теле человека составляет 3,24х10 в 22 степени. При этом только 25% сохраненных молекул доступны тканям. Поэтому количество активных молекул - 8,1х10х21. Для сравнения, один респироцит может хранить 1,51х10х9 молекул, которые полностью доступны к тканям. Получается, что для полной замены эритроцитов респироцитами потребуется 5,36х10х12 наномеханизмов.

Для чего нужны респироциты?      

        В основном, как универсальный донор при потере крови. Респироциты могут использоваться при разных видах анемии, заболеваниях легких, генетических отклонений (напр. серповидноклеточная анемия). 

        Респироциты не подвержены старению, атакам вирусов гепатита, СПИДа, малярийных паразитов и др. Особенно такие наноустройства помогут при трансплантации в качестве носителя кислорода. Роботы способны обеспечить дыхание новорожденных младенцев при маточной асфиксии, травмах и других заболеваниях. С помощью респироцитов водолазы и космонавты смогут по 4 часа находиться без доступа кислорода, т.к. наномеханизмы обеспечивают работу ВПДА - Внутреннего Подводно - Дыхательного Аппарата (англ. SCUBA). При этом подводникам можно не бояться компрессионной болезни. Запас кислорода в таком случае пополнятся с помощью 6-12-ти минутной гипервентиляции, после которой можно опять плавать 4 часа. 

        Жаль, что в настоящее время такое устройство пока ещё нельзя сконструировать. Но будем надеяться, что, через 10-20 лет первые ассемблеры облегчат производство респироцитов. 

Ссылки 

1. Robert A. Freitas Jr., "Exploratory Design in Medical Nanotechnology: A Mechanical Artificial Red Cell," Artificial Cells, Blood Substitutes, and Immobil. Biotech. 26(1998):411-430. See at: http://www.foresight.org/Nanomedicine/Respirocytes.html.