IT-байки: Нано-камуфляж для практикующих хамелеонов

"Вы ложитесь на газон, и, так как вы зелёный, вас никто не видит"
Э. Успенский. Крокодил Гена и его друзья

Некоторым исследованиям и открытиям безусловно, уделяется гораздо больше внимания со стороны научно-популярных изданий и в целом широкой публики, чем основной массе других работ даже в той же сфере науки. Хотя, порой случается так, что даже из самого заумного и ничем, казалось бы, не привлекательного с точки зрения массового интереса исследования можно создать настоящую сенсацию. Вопрос в том, как подать. К примеру, многие рано или поздно начнут зевать, попытайтесь вы сухо пересказать им суть открытия новых сегнетоэлектриков, но моментально оживятся если намекнуть, что такие сегнетоэлектрики со временем можно встроить в штаны для генерации электричества при движении. Или те же эксперименты с вычислением магнитной анизотропии железа на атомарном уровне: логические элементы на базе молекул нафталоцианида – действительно немного скучновато, но если упомянуть, что в перспективе технология позволит хранить сотни терабайт в объёме спичечной головки… Иными словами, из тысяч научных исследований, порой прорывных и переворачивающих с ног на голову само представление об исследуемой дисциплине науки, подавляющее большинство тем остаётся интересным лишь для узкого круга специалистов. До тех пор пока не найдётся "светлая" популяризаторская голова, которая подыщет проводимому исследованию какое-нибудь необычное практическое применение, пусть даже в очень далёком будущем. Чем необычнее ракурс – бессмертие, левитация, телепортация и иже с ними, тем громче сенсация. Всё это справедливо и в отношении практического достижения невидимости, вопрос которого поднимается в сегодняшней заметке. Казалось бы, что интересного можно рассказать широкой публике о физических свойствах метаматериалов? Оказывается, можно, если аккуратно подвести явление отрицательного индекса рефракции под хотя бы призрачную идею достижение невидимости. Два с половиной года назад в статье IT-байки: О невидимости, мнимой и настоящей уже разбирался этот эффект и в сумме делалась попытка собрать на страницах 3DNews воедино различные – шарлатанские и не очень, способы достижения невидимости различной степени достоверности. Однако тогда речь шла преимущественно о физических свойствах различных веществ, в то время как сегодняшний рассказ имеет большее отношение к химии. Хотя, с точки зрения коммерциализации – какая в сущности разница, каким образом будет достигнут финальный массовый продукт? Лишь бы все эти промежуточные достижения учёных, красочно "подогретые" перспективами прикладного использования, так и не остались бы на бумаге да в стенах лабораторий.

---

В чём, собственно говоря, идея ещё одного "варианта невидимости": если уж возможность достижения полной прозрачности по образу и подобию Человека-невидимки пока остаётся фикцией (или, по крайней мере, очень-очень далёкой перспективой), то возможность мимикрии, широко распространённая в живой природе, может оказаться делом вполне практическим и реальным уже на современной стадии развития науки. Или хотя бы на следующей. Пример хамелеона, надеюсь, понятен всем без дополнительных разъяснений. Схожим свойством обладают некоторые подвиды рыб, и они способны изменить свой цвет в тон окружающей среде благодаря крохотным протеиновым "генераторам" специальных пигментирующих кристаллов, которые затем разносятся микрососудами по всему телу. Слиться с фоном в момент опасности или в процессе охоты, принять окраску окружающей среды – такой невидимости более чем достаточно в большинстве случаев. Возможно, кто-то мечтает об идеальном плаще-невидимке для каких-то исключительно деликатных дел, но, я уверен, солдат на поле боя будет гораздо больше рад плащу, который "всего лишь" позволит слиться ему с тем фоном, в который именно сейчас забросили его судьба и командование. В ряде последних публикаций научной команды под руководством Джорджа Баханда (George Bachand Sandia) из National Laboratories Sandia утверждается, что существует возможность - правда, пока лишь в теории, производства синтетических или гибридных материалов с динамическим изменением окраски в тон окружающей среде. По тому же принципу, который действует у выше упомянутых рыб. Статья коллектива учёных из Sandia, изложенная в одном из выпусков профильного журнала Advanced Materials, описывает принцип работы эффекта "искусственного хамелеона" следующим образом. Процесс, схожий с изменением цветовой окраски у рыб, использует одну группу разносящих пигменты так называемых "двигательных белков" (motor proteins) в постоянно "включенном" состоянии, в то время как вторая группа двигательных белков "включается" в нужное время в результате сложных биологических процессов. Двигательными, или моторными белками (motor proteins) называют особый, способный к перемещению по подходящей поверхности класс "молекулярных моторов" – важнейших факторов движения живых организмов. То есть, речь о компонентах живых клеток, преобразующих химическую энергию непосредственно в механическое движение. В случае с белковыми молекулярными моторами речь идёт об энергии, высвобождающейся при гидролизе нуклеотида под названием "аденозинтрифосфат" (АТФ), или по-английски Adenosine triphosphate (АТР). Так вот, результатом процесса взаимодействия этих двух моторных групп является различная степень дисперсии пигментов и результирующее изменение цветовой окраски. Соответственно, при "отключении" процесса пигментации второй группой "моторов" цветовая окраска возвращается в исходное состояние. Для организации процесса переключения моторных белков природа использует достаточно сложные органические "сигнальные сети", которые не так то просто воссоздать. Впрочем в лабораторных условиях учёные решили несколько упростить эту проблему. В качестве "переключателя" команда Бачанда использует в структуре моторных протеинов генетическое включение новой связывающей "пазухи" - что-то вроде стыковочного порта док-станции, где связующим и освобождающим агентом выступают ионы цинка. Связывая, ионы цинка "переключают" белки в положение "выключено". Удаление ионов цинка с помощью дополнительных химических агентов позволяет двигательным белкам возвращаться в исходное состояние. Эффект, по словам учёных, полностью управляем и даже обратим. В качестве красящего агента учёные предлагают использовать микротрубки на базе модифицированного биотина (витамин Н, C₁₀H₁₆N₂O₃S), "покрытого" наноскопическими "квантовыми точками" из групп атомов белка стрептавидина (streptavidin). Белок этот, в свою очередь, обладает уникальным свойством излучения света, при этом частота излучения обуславливается размером этих самых "квантовых точек". Несмотря на то что функционирование "точек" совсем не похоже на принцип работы пигментирующих кристаллов – хотя бы потому что "точки" не излучают свет с длиной волны его поглощения, в целом "точки" способны выполнять схожие окрашивающие функции, ибо суммарно такая биологическая система попросту отражает входящее излучение. Что, собственно, и требуется для создания эффекта мимикрии. На практике учёным уже удалось создать этакую инвертированную сотовую структуру, где двигательные белки в действительности ничего не двигают, а вместо этого "пошевеливают" белково-модифицированными "хвостиками" по стеклянной подложке. В свою очередь микротрубки – цилиндрические белковые волоконца, взамен формирования стационарного сетчатого "скелета" клеток, как это наблюдается у рыб, начинают виться под воздействием моторных белков – как толпа на рок-концерте, которая колышется с зажигалками в ритм мелодии, или как раскручивается пожарный шланг под напором воды. Под воздействием моторных белков микротрубки также начинают процесс "слипания" и скручивания, в результате чего формируются стабильные кольца диаметром до пяти микрон. Сплочённые таким образом "квантовые точки" (в эксперименте - на основе селенида кадмия), способны частично перекрыть определённую часть видимого цветового спектра. Когда механическое скручивание колец приводит к их разрыву, раздробленные сегменты затем "растаскиваются" ближайшими моторными белками до полной разборки колец. Учёные особенно подчёркивают, что оба крайних состояния – свободные микротрубки и кольца, а также оба процесса - формирование и разрушение колец, могут быть также реверсивно управляемы. "Наш процесс полностью копирует принцип мимикрии у рыб", говорит Джордж Бачанд. "По сути, как и у рыб, мы производим переход между рассеянным и насыщенным состояниями частиц, и именно поэтому становится возможным изменение цвета. Таким образом, необходимая научная база идеи уже сформулирована, теперь дело за материаловедением, можно начинать работы по разработке реальных приложений". Интересно также отметить, что предыдущая реализация идеи использовала для управления процессом только регулирование активности "моторов" за счёт подачи "топлива": чем меньше питания, тем медленнее процесс. На данном этапе развития идеи процесс переключения полностью независим от питания, вплоть до обратимой "заморозки" моторного белка.

---

Такова, вкратце, новая – точнее, обновлённая теория техники создания мимикрирующих покрытий с помощью современных достижений биотехнологии и биоинженерии. Разумеется, с приставкой "нано", а как же сегодня без этого. Всем хороша идея. Сыровата, правда, на данном этапе, но не без перспектив, кто бы спорил. А вот сейчас тем читателям, которые всё же дочитали до этого места, хотелось бы, напомнив о завязке сегодняшней истории, задать один простой вопрос: и стали бы вы вникать во все эти "белковые моторчики" и идеи формирования белковых светоотражающих колец, если бы не интригующая "затравка" про невидимость и ткани-хамелеоны? Да что там говорить, я взялся за изложение идеи только потому, что сам был заинтригован. Смотрите, как красиво про это рассказывает сам Джордж Баханд: Армейский камуфляж… сможет отражать множество вариантов окружающей среды без какого-либо дополнительного внешнего источника питания — голубой на море, коричневый в пустыне... И тот же самый эффект может быть использован при производстве шикарной гражданской одежды, автоматически изменяющей цвет под воздействием различных визуальных условий". Всё же популяризация идеи – великая вещь. Кому бы без радужных мечтаний про камуфляж были нужны все эти светящиеся белковые трубочки? А ведь работа команды Баханда, между тем, поддерживается Министерством энергетики США и R&D программой Лабораторий Sandia. Чего ж не хватает нашим учёным? Финансирования? Безусловно. Однако порой кажется, что в первую очередь всё же не хватает вот такого умелого самопиара. Тогда и деньги приложатся… Ссылки по теме:

• Sandia National Laboratories
• Biotechnology and Bioengineering
• Applied Materials

Материалы для дополнительного чтения:

• IT-байки: про IBM и квадриллионы байт в спичечном коробке
• IT-байки: про замороженный дым
• IT-байки: 4D наномикроскоп - Виват, атомное кино!
• IT-байки: Искусственная ДНК - кандидат на замену кремнию?
• IT-байки: О невидимости, мнимой и настоящей