Najbardziej zaawansowany obszar badań materiałowych to nanotechnologia. To tutaj manipulowanie materią odbywa się w skali nano – 1000000 razy mniejszej niż mrówka, 8000 razy mniejszej niż czerwone ciałko krwi i 2,5 razy mniejszej niż łańcuch DNA. Koncepcja tej technologii wywodzi się z wygłoszonego w 1959 roku wykładu Richarda Feynmana zatytułowanego There’s Plenty of Room at the Bottom (Tam na dole jest jeszcze sporo miejsca), ale dopiero wydana w 1987 roku książka Engines of Creation (Siły napędowe tworzenia) przyniosła rozgłos nanotechnologii. Kim Eric Drexler opisał w niej samoreplikujące się nanomaszyny, czyli maszyny bardzo niewielkich rozmiarów, które są w stanie budować inne maszyny. Można je programować, dlatego mogą zostać następnie przeznaczone do produkowania większej liczby takich samych maszyn lub tego, co będzie nam potrzebne. Odbywa się to w skali atomowej, a nanoboty mogą rozłożyć na czynniki pierwsze każdy rodzaj materiału – ziemię, wodę, powietrze – atom po atomie i wykorzystać je jako surowce do stworzenia w zasadzie wszystkiego. W tym świecie, zdaniem Drexlera, kałuża zarośnięta algami może zostać przekształcona w nieskazitelny wielokaratowy pierścionek z diamentem.
Od tego momentu rozwój nanotechnologii przebiegał zaskakująco szybko i dzisiaj na rynku jest dostępnych wiele produktów, które z niej korzystają. Nie chcecie więcej mnących się ubrań? Nanoskalowe dodatki do tkanin spowodują, że staną się one odporne na zagniecenia i plamy. Nie lubicie myć okien? Żaden problem, dzięki nanofoliom nakładanym na szyby nasze okna staną się samoczyszczące, antyrefleksyjne i zdolne do przewodzenia prądu elektrycznego. Chcecie mieć panele solarne w domu? Mamy nanopowłoki, które pochłaniają energię słoneczną. Dzięki nanomateriałom możemy wyprodukować lżejsze samochody, samoloty, kije do baseballa, kaski, rowery, walizki, narzędzia elektryczne – listę można by długo ciągnąć. Badacze z Uniwersytetu Harvarda skonstruowali drukarkę 3D pracującą w nanoskali, która jest w stanie wytworzyć miniaturowe baterie o rozmiarach nieprzekraczających milimetra. A jeśli ktoś nie lubi niewygodnych gogli do wirtualnej rzeczywistości, też nie jest to problem, bo naukowcy już korzystają z nanotechnologii do stworzenia inteligentnych soczewek kontaktowych, których rozdzielczość będzie nawet 6 razy większa niż ekranów w dzisiejszych smartfonach.
A to jeszcze nie wszystko. W medycynie nanoboty, które potrafią precyzyjnie dostarczyć lek, są wyjątkowo pożyteczne w walce z rakiem. Jeszcze bardziej niesamowite historie zdarzają się w innych dziedzinach. Jeden z bioinżynierów pracujących na Uniwersytecie Harvarda zapisał niedawno 700 terabajtów danych w jednym gramie DNA. Do ochrony środowiska przyczyni się to, że naukowcy potrafią już przekształcać dwutlenek węgla znajdujący się w atmosferze w superwytrzymałe nanowłókna węglowe, które mogą być następnie zastosowane w przemyśle. Jeśli będziemy to w stanie zrobić w odpowiedniej skali – i zasilić energią słoneczną – system zajmujący 10 procent powierzchni Sahary mógłby w ciągu dekady obniżyć ilość dwutlenku węgla w atmosferze do poziomu sprzed epoki przemysłowej. Możliwe zastosowania są niezliczone. I pojawiają się bardzo szybko. W ciągu następnej dekady oddziaływanie tego, co bardzo, bardzo małe, stanie się bardzo, bardzo duże. W części drugiej książki przyglądniemy się bliżej temu, jak te osiągnięcia dotykają najważniejszych aspektów życia społecznego, ale zanim tam będziemy, zwróćmy jeszcze uwagę na pewną specjalną grupę materiałów – będących podstawowym budulcem naszego życia: komórki, geny, białka – i popatrzmy, jakie zmiany wprowadzają one w biotechnologii.
Biotechnologia
Dla Johna Travolty lata 70. ubiegłego wieku były całkiem udane. Zadebiutował jako aktor w 1972 roku, a uznanie publiczności zdobył wyróżniającą się rolą w sitcomie Welcome Back, Kotter z 1975 roku. Jednak prawdziwą gwiazdę zrobiła z niego dopiero kreacja głównego bohatera w nagrodzonym trzema nagrodami Emmy filmie telewizyjnym Chłopiec w plastikowej bańce z 1976 roku.
Film opowiada o życiu Davida Vettera, chłopca z Teksasu, który cierpiał na ciężki złożony niedobór odporności sprzężony z chromosomem X – chorobę genetyczną, która niszczy system odpornościowy. Zmusza ona chorych do stałego przebywania w bańce zapewniającej bezpieczną atmosferę, chroniącą przed wszystkimi możliwymi zarazkami. Wszystko, co trafi do bańki – woda, jedzenie, ubrania – musi zostać najpierw odkażone. Dla pacjentów cierpiących na tę chorobę śmiertelne może być nawet samo oddychanie zwykłym powietrzem.
Cztery lata przed tym, jak mieliśmy okazję zobaczyć Travoltę w bańce, ukazał się artykuł w „Science” opisujący nową formę terapii, która mogła rokować nadzieje dla pacjentów z niedoborem odporności i innymi chorobami genetycznymi. Była to terapia genowa. Jej koncepcja, choć niezwykła, była bardzo dobrze pomyślana. Przyczyną chorób genetycznych są mutacje łańcucha DNA. Rozwiązaniem jest zatem znalezienie sposobu, jak wymienić złe DNA na dobre. Czyli, mówiąc językiem informatyków, jak zdebugować system?
W jaki sposób jednak dostarczyć dobre DNA we właściwe miejsce?
W tym miejscu na scenę wchodzą wirusy. Te mikroskopijne pasożyty rozwijają się dzięki przyczepianiu się do komórek. Kiedy już są na miejscu, wprowadzają do nich swój własny materiał genetyczny, zmuszając gospodarza do replikowania DNA wirusa – jak na przejętej taśmie montażowej. Terapia genowa korzysta z tego mechanizmu, usuwając wcześniej fragment kodu wirusa, który wywołuje choroby, i zastępując go dobrym DNA. Z chwilą, kiedy wirus wprowadzi dobre DNA do komórki gospodarza, najpierw ustępują objawy choroby, a później zostaje ona całkowicie wyleczona.
Potencjał terapii genowej jest ogromny, wymagał jednak równie ogromnego wysiłku naukowego. Pierwszy raz zaczęto leczyć tym sposobem dopiero po upływie 2 dekad i wówczas pojawiły się problemy. W 1999 roku osiemnastoletni chłopiec nazywający się Jesse Gelsinger, cierpiący na rzadką chorobę metaboliczną, wziął udział w terapii genowej w ramach eksperymentu klinicznego na Uniwersytecie Pensylwanii. Choroba Gelsingera nie zagrażała jego życiu. Skrajnie rygorystyczna dieta i przyjmowanie 32 tabletek dziennie pozwalały kontrolować jej objawy. Zdecydował się jednak na ten eksperyment, bo dawał on szansę całkowitego wyleczenia. Cztery dni po otrzymaniu pierwszego zastrzyku Gelsinger nie wyzdrowiał. W tym dniu zmarł. Była to pierwsza zarejestrowana śmierć na skutek zastosowania terapii genowej.
Miały miejsce kolejne wypadki. Niedługo później podczas eksperymentalnej terapii genowej we Francji, której celem było wyleczenie ciężkiego, złożonego niedoboru odporności, 2 z 10 biorących udział dzieci zachorowało na raka. Agencja Żywności i Leków natychmiast zawiesiła do odwołania wszystkie eksperymentalne terapie genowe. Śmiertelnym ciosem był kryzys dotcomów w 2001 roku, do tej pory bowiem pieniądze zarabiane na gwałtownym rozwoju sieci zasilały startupy zajmujące się terapią genową. Deceptywna faza rozwoju utknęła w zatęchłej norze, z której – jak wiele osób było przekonanych – nie było ucieczki.
Znaleziono jednak sposób. Polegał on na zintensyfikowaniu badań naukowych.
Chociaż terapia genowa zniknęła z pola widzenia, badania naukowe nad nią były kontynuowane. I kontynuowane. Aż wreszcie 18 kwietnia 2019 roku znów zrobiło się o niej głośno, tym razem za sprawą zdumiewającego oświadczenia: ciężki, złożony niedobór odporności został pokonany. Dziesięcioro dzieci urodzonych z tą chorobą, urodzonych – dosłownie – bez systemu odpornościowego, zostało wyleczonych. Nie polegało to na tym, że objawy choroby nieco ustąpiły. Nie polegało to na tym, że poprawił się ich stan. Przed leczeniem systemy immunologiczne pacjentów nie funkcjonowały w ogóle. Po leczeniu – zaczęły sprawnie działać. Choroba została pokonana.
Inne