Jsou nanotechnologie požehnáním, nebo naopak skrytou hrozbou? Dokážou léčit nemoci, jak to prorokoval Karel Zeman a jak o tom zpívali Tata Bojs, nebo se jich máme bát, jak radil spisovatel Michael Crichton, autor například Jurského parku?

Nanoroboti například pomáhají čistit ekologické škody nebo hledat ropu. Také pomáhají párům, jimž se nedaří zplodit potomka. A to tak, že nanorobot spermii uzavře do určitého typu skeletu a vyrazí k cíli podstatně rychleji, než by to zvládaly samotné buňky. Pořád ale platí, že se nanoroboty učíme ovládat. A málokdo o tom ví víc než Martin Pumera, světově proslulý vědec, který se po letech práce v zahraničí nedávno vrátil zpět do Česka, kde přednáší na Vysoké škole chemicko-technologické.

Související článek

Budoucnost medicíny: nádor odstraní miniaturní ponorka

Vědci dnes dokáží vyrobit roboty tak malé, že bez problémů doputují až do tlustého střeva. A doba, kdy tam podle pokynů lékařů odstraní zhoubný nádor s minimálním poškozením zdravé tkáně, není nijak daleko.

Když se řekne nanorobot, napadne většinu lidí motiv ze sci-fi literatury nebo filmů. V některých tato technologie pomáhá, jindy hrozí zničit lidstvo. Jak se představy liší od skutečnosti?

Sci-fi příběhy nejsou úplně špatné. Když před deseti patnácti lety začal růst počet odborných publikací o nanotechnologiích, dělali si jejich autoři z filmů ze šedesátých let legraci. Znáte ten příběh o ponorce, která se zmenšila do té míry, že mohla cestovat krevním řečištěm člověka? Před deseti lety se psalo, že přesně tohle nanotechnologie není. A dnes se ukazuje, že to není pravda – sci-fi filmaři se trefili, mýlili se naopak autoři odborných publikací. Samozřejmě nedokážeme zmenšit ponorku a tím méně člověka do velikosti atomu nebo buněk, ale vytváříme nebiologické pohyblivé materiály, které se umějí pohybovat v experimentálním prostředí v krvi. Z toho už se dá domyslet spousta možných způsobů využití.

Takže skuteční nanoroboti opravdu dávným představám odpovídají?

Jen v jistém ohledu. Typický nanorobot je vlastně taková miniaturní trubička z několika vrstev různých kovů – železa, niklu, zlata. Na sobě má biologický povlak a nějak se pohybuje.

A jak se dá jednoduše popsat její základní funkce?

Na úplně základní úrovni by se dalo říci, že je vyrábíme jako objekty se schopností sebenavigace. Chovají se jako mikroorganismy, ačkoli to ve skutečnosti žádné organismy nejsou, nemají žádnou DNA. Někdy jim říkáme chytrý prach. Nanoroboti dokážou reagovat na světlo nebo na přítomnost určitých chemikálií, které v něco přeměňují, a z toho může vzniknout pohyb. Pohyb je jejich nejdůležitější a primární vlastnost – základna takzvané čtyřstupňové pyramidy, na které vysvětlujeme funkce nanorobotů na přednáškách.

„Typický nanorobot je vlastně taková miniaturní trubička z několika vrstev různých kovů – železa, niklu, zlata.“

Na jakém principu se onen chytrý prach pohybuje?

Funguje trochu jako miniaturní letecká turbína – ovšem v případě, že by kromě kyslíku byl ve vzduchu i kerosin. Prostě nasává vzduch a s ním i energii, která ho pohání. Nebo si představte bakterii, která pohlcuje cukr z okolního prostředí a tím se pohybuje. Nanorobot funguje podobně, jen na rozdíl od bakterie při nedostatku energie nezahyne, prostě se vypne. A další rozdíl oproti bakteriím spočívá v tom, že se nanoroboti nemnoží – to technicky není možné.

Martin Pumera

Doktorát obhájil v Praze na Univerzitě Karlově, poté působil jako výzkumný pracovník v řadě zemí včetně USA, Španělska a Japonska. V roce 2010 získal ERC Starting Grant a přijal místo profesora na Nanyang Technological University v Singapuru. Od prosince 2016 je klíčovým zahraničním vědeckým pracovníkem na VŠCHT Praha a buduje zde nový excelentní tým, jehož hlavním zájmem je výzkum nanorobotů. Umožnil mu to úspěch v Operačním programu Výzkum, vývoj a vzdělávání; jeho společný projekt s doc. Zdeňkem Soferem byl hodnocen ve velké konkurenci jako třetí nejlepší. Do této chvíle má na kontě přes 470 článků v indexovaných žurnálech, více než 18 000 citací, h-index 67 a podle Essential Science Indicators patří mezi 0,11 % nejlepších vědců v oblasti chemie. (Zdroj: www.vscht.cz)

Jak je vlastně takový nanorobot velký?

Představte si, že vezmete obyčejný vlas a zvětšíte ho na průměr jednoho metru. Červená krvinka bude mít v tom případě průměr tenisáku. A to je také standardní velikost nanorobota. Ale máme i roboty velikosti viru, a to znamená jeden chlup na tom tenisáku. V těchto rozměrech se při dnešních možnostech nedá vyrobit aktivní pohybový mechanismus, leda nějaké výstupky, takže se musíme obejít bez pohyblivých součástek. O pohyb se stará, odborně řečeno, neuniformní distribuce tlaku, což zní sice ohromně učeně, ale zná to každý, kdo někdy nafoukl balónek a pak ho pustil do vzduchu. Spalováním cukru se na jedné straně robota vytváří tlak, který jím pohybuje na druhou stranu.

Ale balónek se pohybuje dost chaoticky, nikdy nevíte, kam zamíří. Nanoroboty přece musíte nějak řídit a usměrňovat…

A jsme zase u té pyramidy funkcí, o které byla řeč. Na základním stupni, což je prostě pohyb jako takový, se i nanoroboti pohybují chaoticky, přesně jako ten balónek. Stejně chaoticky se pohybovaly první rakety. Chaotický pohyb ostatně není vždycky na škodu – stačí mít velkou plochu, na kterou míříte, a máte prakticky jistotu, že se trefíte. Takže se dá docela dobře využít třeba při čištění životního prostředí. Představte si, že máte několik čtverečních kilometrů kontaminovaného území někde v podzemí. Můžete tam jezdit sem a tam, dělat vrty a pouštět chemikálie, které to neutralizují. Nebo uděláte jeden vrt uprostřed a pošlete tam nanoroboty s chaotickým pohybem. A oni se tam rozprchnou a území, pokud je jich dost, pokryjí prakticky celé. Samozřejmě by bylo skvělé, kdyby dokázali odhalit místa s největší koncentrací, ale ani chaotický pohyb není na škodu.

Související článek

Špičku v robotické medicíně najdete v Čechách

Co spojuje české pacienty po autonehodě a britské vojáky zraněné během misí? Špičkové rehabilitační pracoviště, které využívá robotickou medicínu. Jméno malého městečka kousek od Benešova jste určitě už slyšeli. V Kladrubech se s pomocí robotů léčí pacienti z celého světa. Někteří vypadají v exoskeletonu jako ze sci-fi filmu, ale vzhled v tomto případě nerozhoduje. Důležité je, že toto a další robotická zařízení používaná v Rehabilitačním ústavu Kladruby pomáhají.

Tím jsme se dostali k jednomu zcela konkrétnímu způsobu využití. Co udělá nanorobot, když se dostane do chemicky znečištěného území?

To je druhý stupeň té pyramidy. Sami o sobě nanoroboti samozřejmě nezmůžou nic, ale my je můžeme pokrýt vrstvou chemikálií, které se se škodlivou látkou vzájemně zneutralizují, jako když nalijete ocet na sodu. Nanoroboti se pohybují poměrně rychle, zhruba milimetr za sekundu, což je u tak miniaturních objektů dost. A jsou relativně trvanliví, chemikálie jim nijak zvlášť neublíží, dokud vydrží neutralizační chemikálie na povrchu, dělají svou práci. Samozřejmě jako každý kovový objekt časem korodují, ale do té doby toho stihnou hodně.

Dobrá, to byl vhodný příklad využití, pro který je chaotický pohyb výhodný. Ale co když je přece jen nutné roboty nějak usměrnit?

Tím se dostáváme ke třetímu stupni pyramidy. Na něm nanoroboti dostávají „nadpřirozené“ vlastnosti mikrobů. Mikroby, ale třeba i květiny, vědí, kde je světlo, odkud svítí slunce, reagují na teplotu a podobně. A my můžeme i nanoroboty vyrobit tak, aby „šli za světlem“, odborně se tomu říká fototaxe. Ale pozor, nanorobot je konstrukčně mnohem primitivnější než jakýkoli mikrob, takže ho musíte vymyslet opravdu chytře, aby reagoval, jak potřebujete. Máte přitom mnohem omezenější nástroje než příroda.

Další možností je magnetotaxe, tedy orientace podle magnetického pole. V přírodě jí disponují zejména bakterie. Vytvoří si v sobě miniaturní krystalky oxidu železa a fungují jako střelka kompasu. Podobným systémem jsou vybaveni i mnohem vyšší živočichové, třeba migrující ptáci. A my jím umíme, mimochodem jako první laboratoř na světě, vybavit i nanoroboty. Tím pádem poznají, kde je sever, a pohybují se po siločárách. A vy je magneticky můžete ovládat.

A pak je tu třetí způsob, v přírodě nejjednodušší, pro nás ovšem nejtěžší: chemotaxe neboli orientace podle pachů různých chemikálií. Může to být potrava nebo naopak nebezpečí. V běžném světě se tím řídíme všichni – také vás tak přitahuje stánek s burgery? V tom se od nanorobotů nijak zvlášť nelišíme. Při vývoji a výrobě je to docela oříšek, ovšem třeba v medicínském využití se bez chemotaxe neobejdeme. Nanorobot hledá buňku, do které je zapotřebí doručit účinnou látku, a nemůže ji nazdařbůh hledat v celém těle, ale je nutné co nejrychleji postupovat k cíli. To je pro nás momentálně největší výzva.

„Nanorobot se do oka zavrtá pomocí elektromagnetického působení jako miniaturní vrut. Je tak maličký, že o něm organismus vůbec neví.“

Máme tři stupně nanorobotické funkční pyramidy, co je čtvrtý?

Čtvrtý a nejvyšší stupeň je schopnost vytvářet hejna. Jeden nanorobot nic nezmůže – je cenný z vědeckého hlediska, ale nikoli pro praxi. Stejně jako vás nezabije jeden virus nebo jedna bakterie, tak vás ani jeden nanorobot nezachrání. Aby měl nějaký makroskopický efekt, musí jich být ohromné množství. A musíte s nimi být schopný komunikovat. To je vrchol pyramidy.

Pojďme se teď vrátit k možnostem praktického využití. Hovořili jsme o čištění kontaminovaného území. Jaké jiné varianty si představujete?

Ty nejdůležitější se samozřejmě týkají medicíny. Zatím jde ovšem vesměs o testovací stadium – nezkouší se na lidech, ale u některých proběhly zkoušky na zvířatech. Šlo o odstraňování zhoubných nádorů z žaludku. Nanoroboty k tomu zkoušíme používat – kromě toho, že jsme šílení vědci – proto, že je to mnohem méně invazivní než klasické metody. Existují i šetrnější způsoby, ale nanoroboti jsou v každém případě mnohonásobně menší než jakýkoli konvenční mechanický nástroj, včetně injekční stříkačky.

Zkoušeli jste i něco jiného než nádory v žaludku?

Zkoušeli, třeba různá oční onemocnění, při nichž je zapotřebí dopravit antibiotikum na přesně určené místo. Existuje způsob, jak k tomu použít právě zmíněnou injekční stříkačku skrz sklivec, ale i to je hodně invazivní. Nanorobot se do oka zavrtá pomocí elektromagnetického působení jako miniaturní vrut a je tak maličký, že o něm organismus vůbec neví. Dopraví lék na správné místo a pak ho zase vyšroubujete ven, přičemž není kam spěchat, protože nanorobot v oku vydrží celé tři týdny, aniž by způsobil jakýkoli zánět nebo podráždění.

Související článek

ReWalk vrátí na nohy i ochrnuté s přerušenou míchou

Vypadá to jako nějaká rekvizita z Iron Mana a podobných sci-fi příběhů. A vlastně to tak i funguje – tento vynález vrací lidem schopnosti, o něž po úraze nebo jiným řízením osudu přišli. Technologie zvaná ReWalk vznikla v Izraeli a umožňuje chodit i zraněným s přerušenou míchou, kteří by se jinak až do smrti pohybovali jen na invalidním vozíku.

Nedávno se objevila ještě jedna velmi zajímavá aplikace, o jejíž realizaci momentálně soupeří kolegové vědci z Drážďan a Barcelony. Jsou to spermoroboti. Pomáhají v případě, že jsou spermie málo pohyblivé a nedaří se jim urazit celou cestu až k vajíčku. Nanorobot spermii uzavře do určitého typu skeletu a vyrazí k cíli podstatně rychleji, než by to zvládaly samotné buňky.

Říkáte, že se ve všech případech jedná zatím jen o testovací stadium na zvířatech. Tipnul byste si, kde se zdravotnická nanotechnologie poprvé prosadí v praxi?

Podle mě určitě ve Spojených státech, kde se kolem výzkumu jednoznačně točí nejvíc peněz. Hodně se o něj zajímají velké technologické firmy jako Google. Už běžně existují chytré náplasti, které vám měří třeba teplotu a tlak, a taková náplast vám může v případě potřeby klidně vypustit nanoroboty do těla. Navíc v USA lépe funguje interdisciplinární spolupráce, která je v těchto případech nezbytná. Já jsem chemik, v biomedicínském výzkumu mám jistě své místo, ale aplikace sám dělat nemůžu. V Evropě se taková spolupráce teprve rozvíjí, v Americe jsou dál.

„V tomto oboru nikdo žádné informace nepustí ven, dokud nebude definitivně hotovo. Pak to ale najednou vybouchne jako bomba.“

Bavili jsme se o oku, krevním řečišti, zažívacích traktech i spermiích. Ve které oblasti se podle vás nanoroboti mohou prosadit nejdřív?

Nechci vyloženě tipovat, ale dost záleží na tom, jak jsou konkrétní výzkumníci provázáni s praxí. Třeba Brad Nelson z ETH v Curychu, který přišel s metodou léčby očních chorob, se v poslední době už prakticky nevěnuje vědě a na konferencích promítá své propagační video. Nevím přesně, jak je daleko, ale má skvělé financování od velkých firem a asi by nenechal výzkumu, kdyby realizace nevypadala slibně. Ale musíme si počkat. V tomto oboru nikdo žádné informace nepustí ven, dokud nebude definitivně hotovo. Pak to ale najednou vybouchne jako bomba.

Takže výzkum je v podstatě hotový a záleží už „jen“ na tom, komu se podaří rychleji sehnat finance na uvedení do praxe?

V podstatě by se to tak dalo říci, ovšem mějme na paměti, že v uvádění do praxe existují v různých aplikacích diametrálně odlišné podmínky. Robot v oku, to je technicky velmi jednoduchá záležitost, víceméně jeden šroubek, takže jde jen o to, vyvinout a vyrobit spolehlivou řídicí jednotku. Na jiné aplikace ovšem potřebujete velké hejno nanorobotů, což je úplně na jiné úrovni obtížnosti. A byznysově orientovaní lidé jdou pochopitelně za těmi nejjednoduššími aplikacemi. Kromě toho tu máme regulační orgány, které uvedení do praxe brzdí, a je to tak dobře, protože jinak by nám farmaceutické firmy píchaly do těla všechno možné. Takže můj optimistický odhad zní, že to oko budeme mít zhruba za pět let, složitější aplikace přibližně za dvacet.

Související článek

Petr Baudiš: Možná si budeme muset projít něčím špatným, abychom začali regulovat umělou inteligenci

Využití umělé inteligence může být prospěšné, ale i hodně nebezpečné. Jak to chtějí odborníci na umělou inteligenci řešit? Jak umělá inteligence pracuje s předsudky a jak nás ovlivní v budoucnu? 

Když mluvíme o hejnu, co si pod tím představit? Jak musí být veliké, aby v těle dokázalo splnit svůj úkol?

Zase záleží na konkrétní aplikaci. Vždycky platí, že čím méně potřebných robotů, tím lépe. Větší hejno znamená větší problém, protože zatím nemáme dokonale vyřešený jejich pohyb. Proto se také třeba u některých aplikací uvažuje spíše o mikrorobotech, řádově výrazně větších, než jsou nanoroboti. Jenže ti zase mnohdy nejsou příliš praktičtí, protože už se třeba nevejdou do nejmenších cév. Abych odpověděl o něco konkrétněji: pokud v těle potřebujeme hejno nanorobotů, tvoří ho řádově miliony kusů.

Zatím jsme se bavili hlavně o terapeutické funkci nanorobotů, která spočívá zejména v dopravování účinné látky na potřebné místo. Mohou mít ale i funkci diagnostickou?

Ano, ačkoli se v současnosti uvažuje spíš o diagnostice mimo tělo samotné, tedy o vyšetření nejrůznějších tělních tekutin po odběru. Předstupněm k tomu může být takzvaná laboratoř na čipu, které se věnujeme už poměrně dlouho. Tam se tekutiny zavádějí do drobounkých kanálků a v nich se zkoumá přítomnost látek indikujících nejrůznější choroby. A tuhle funkci by za jistých okolností rovněž mohli převzít nanoroboti coby aktivní přenašeči látek, jejichž pomocí se nemoci rozpoznávají. A to se samozřejmě nemusí omezit jen na tělní tekutiny – jeden kolega ze Španělska nedávno otevřel celé nové pole výzkumu a začal diagnostikovat jídlo, hledat v něm nebezpečné patogeny.

„Pokud v těle potřebujeme hejno nanorobotů, tvoří ho řádově miliony kusů.“

A když úplně opustíme medicínu, kde jinde se ještě využití nanorobotů nabízí?

Už jsme mluvili o využití v ekologii, zejména při čištění kontaminovaných území. To je asi ze všeho nejjednodušší. A blízce příbuzné jsou aplikace vojenské – jak dekontaminační, tak i detekční. Dekontaminace tu probíhá podobným způsobem jako u těch podzemních vod, opět pomocí nějakých neutralizačních látek. Velmi slibně působí také třeba při zamoření území nervově paralytickými plyny. Pokud to dělají lidé, je to ohromně pracné, vyžaduje to dokonale bezpečný ochranný oděv, přesné pracovní postup a podobně. Když na to pustíte nanoroboty, nic z toho dodržovat nemusíte. Kolega z Pensylvánie zase dostal velký grant na vývoj systému, v jehož rámci budou nanoroboti hledat ropu. Budou mít na sobě značkovače, dostanou se do vrtu, tam se rozprostřou, a když na ropu narazí, podle toho značkovače se to pozná. O tom ale neznám podrobnosti, kolega o tom podle smluv nesmí mluvit, protože ropným společnostem pochopitelně nejde tolik o vědecký pokrok jako spíš o zisk.

Související článek

Josef Šlerka: Čínský skóring jsou komunistické domovnice, které mají k dispozici internet

Tisíce lidí se denně nechávají ovlivnit fake news, na které nejčastěji narazí prostřednictvím sociálních sítí, obvykle Facebooku. Jak je možné, že vymyšlené zprávy mají takový úspěch? Jak vlastně vznikají fake news, které jsou uvěřitelné? Ohrožují nás? A jak má tedy člověk poznat falešnou zprávu v době podvrhů vytvářených mnohdy i umělou inteligencí? O tom jsme si povídali s Josefem Šlerkou. Známe se už řadu let a tykáme si. A platí to i pro tento rozhovor.

Coby nadšený čtenář Michaela Crichtona se nemůžu vyhnout poslední otázce: Do jaké míry hrozí, že se dočkáme scén jako v jeho thrilleru Kořist, kde se hejno nanorobotů vymkne kontrole a stane se životu nebezpečným? Případně že se dostane do rukou zločincům, kteří ho zneužijí?

U podobných technologií se potenciálním hrozbám nikdy nedokážeme úplně vyhnout. Přece jen jde o objekt, který dokáže proniknout prakticky kamkoli, dovede spoustu věcí chemicky změnit na něco jiného a podobně. Ale na druhou stranu se nebezpečí ve sci-fi přehání, protože se nanorobotům přisuzují vlastnosti, které mít nemohou. Nemohou se rozmnožovat ani zmutovat, jejich funkce jsou vlastně velmi jednoduché – prostě se pohybují z místa na místo. To máte jako s auty, skoro všichni je používáme k normální dopravě, přesto občas fungují jako zbraň nebo se jimi přepravují zločinci. Já mám spíš obavy z toho, aby se neobjevily další problémy s funkčností – třeba ještě nemáme úplně vyřešenou otázku koroze a stává se, že se nanoroboti přestanou pohybovat dřív, než bychom čekali. Ale nějaká velká dramata bych od nich neočekával.