科学＆テクノロジー

ナノマシンは世界をどう変えるのか？

ライス大学の微生物学者アナ・サントスさんは、ポルトガルの小さな都市カンタニェデで育った。カンタニェデはバイオテクノロジーの中心地であり、良質のワインの産地としても知られている。彼女が子どもの頃、製本業をしていた祖父は、自転車で町中を走り回る元気な男性だった。しかし、2019年までに健康状態が悪化し、カテーテルに頼るようになった。ある日、熱が急上昇し、医師は尿路が薬剤耐性菌に感染していることを発見した。 クレブシエラ・ニューモニエ腸内によく見られる細菌である。どの抗生物質もこの細菌を治療できなかった。数日後、彼は亡くなった。「文字通り、彼らには何もできなかった」とサントス医師は最近、怒りの声で私に語った。「単なる細菌感染で彼が死ぬなんて？医学はそんなのに対処できると思っていたのに。」当時、サントス氏はパリの学際研究センターにいて、ある細菌が他の細菌よりも長生きできるようにする遺伝子を研究していた。しかし、祖父の死後、彼女は病原菌を殺す新しい方法に焦点を当てることにした。従来の抗生物質の問題の1つは、常に進化している細菌が時間の経過とともに耐性を獲得する可能性があることだ。細菌とバイオテクノロジーの軍拡競争で競争力を維持するには、科学者はまったく新しい武器が必要になるかもしれないとサントス氏は考えた。 自然 ライス大学の化学者ジェームズ・ツアー率いる科学者たちが、微細なドリルのように回転し、人間の髪の毛の幅のおよそ一万分の一の大きさで、個々の細胞に穴を開けて殺すことができる「分子マシン」を開発した。その後まもなく、サントスはヒューストンに移り、ツアーの研究室に加わった。30代後半のサントスさんは、茶色のストレートヘア、長方形のメガネ、軽いアクセントの英語で、人当たりは良いが控えめな人だ。宿題を一番に終わらせ、一番に友達の宿題を手伝うようなタイプの人のようだ。今年2月にライス大学で彼女を訪ねたとき、彼女は顕微鏡、ドラフト、琥珀色のガラス容器の前を案内してくれた。研究室の薬品からは、壁にバナナの香りのニスを塗ったかのように、ほのかに甘い匂いがした。 T レックス 冷蔵庫の上には、にっこり笑うチャールズ・ダーウィンの赤、白、青の肖像画が飾られており、バラク・オバマの2008年の選挙ポスターを模したものだった。そこには「私たちが信じられる、非常に緩やかな変化」と書かれていた。サントス氏のデスクに着くと、彼女はコンピューターでインゲン豆の形をしたバクテリアの画像を呼び出した。彼女は、ペトリ皿の中の分子マシンはバクテリアに入り込み、バクテリアの細胞壁の内側にくっつき、堅い外膜を通り抜けて破裂させるほど小さいと説明した。マシンは強い青い光で作動し、毎秒何百万回も回転する。これは電動ドリルの10万倍の速さだ。サントス氏は、その後の画像を私に見せてくれた。バクテリアは今や、表面に荒れ狂う水疱のあるしわしわの塊のようだった。彼女は満足そうだった。「これが実際に動いているところを見てみましょう」とサントスは言い、私を研究室の反対側にある小さな部屋に連れて行った。外には蛍光オレンジ色のバイオハザードステッカーが貼られていた。「危険な病原菌が入っているんですか？」と私は尋ねました。彼女は私が望んでいたよりも長く沈黙しました。「ほとんどは軽いものです」と彼女は言いました。「とにかく何も触らないようにしてください。」私たちは白衣、手袋、安全ゴーグルを着けた。頭上の棚から、サントスは2つのペトリ皿を取り出した。それぞれ5匹のベージュ色の蛾の幼虫が入っていた。私が到着する前に、彼女は幼虫に MRSA、抗生物質耐性菌は壊滅的な感染症を引き起こす可能性がある。今、彼女は小さな注射器を使って、分子機械を含む溶液を1つの皿の中の幼虫に注入した。彼女がその皿を青い光の下に滑り込ませると、私は何千もの小さなドリルが各細菌にくっついて、それから動き出すのを想像した。1分ほど経ってから、サントスは培養皿を培養器に移し、数時間前に同じ手順を経た他の2つの培養皿を取り出した。 MRSA 分子機械を注入した幼虫は楽しそうに身をよじった。子犬が遊ぶように、一匹が他の幼虫の上に登っていくのを見た。2匹目では、 MRSA 殻が黒く焦げていました。4匹は皿の上に平らに横たわり、動かず、5匹目はおとなしく横に転がり、黒くなった頭を上げました。そして下に落ち、動かなくなり、死んでしまいました。1959 年のクリスマスの数日後、カリフォルニア工科大学での講演で、物理学者リチャード・ファインマンは、分子機械が「原子を望み通りに配列」し、さまざまな可能性を生み出す未来について語った。そのような機械により、たとえば「外科医を飲み込む」ことが可能になるかもしれないと彼は言った。つまり、私たちの体内を泳ぎ回り、故障した心臓弁や機能不全の臓器を修復する小さな機械を飲み込むことができるかもしれない。ファインマンの講演は、ナノスケール、つまり原子のスケールで物質を操作するための概念的基礎を確立した (砂粒を 50 万枚に切ると、各断片の幅は約 1 ナノメートルになる)。しかし、何十年もの間、科学者たちはこのアイデアをテストする技術を持っていなかった。転機は1980年代に訪れました。2人の物理学者が走査型トンネル顕微鏡を発明し、個々の原子を観察できるほど強力になったのです。数年後、当時MITの研究員だったK・エリック・ドレクスラーが「創造のエンジン：ナノテクノロジーの時代到来」という本の中で、彼は原子を再編成できる「ナノアセンブラー」を想像した。ドレクスラーはナノテクノロジーの開発と使用を促進する団体を共同設立したが、同時に、適切な安全策がなければナノマシンが自己複製するように作られるのではないかと懸念していた。ドレクスラーは、ナノマシンが生命の材料を食べ、すべてを「グレイグー」に変えるという終末的なシナリオを思い描いた。（今日のナノマシンは自己複製しないが、AI悲観論者は、制御不能なAIがすべてをペーパークリップに変えるという、驚くほどよく似た思考実験を広めている。）90年代、ベルナルド・フェリンガという名のオランダ人化学者が、もう一つの画期的な発見をした。彼は、紫外線にさらされると一方向に連続的に回転するという珍しい特性を持つ分子を作ったのだ。分子の中心要素は炭素の軸で、それが風車のように回転して、小さな推進力を生み出した。フェリンガは後に、この小さなモーターはファインマンの構想を実現するための重要な一歩だったと述べた。2016年、彼はノーベル化学賞を共同受賞した。「ライト兄弟のような気分です」と受賞後に語った。「人々は『なぜ飛行機が必要なのか』と言っていました。しかし今では、ボーイング747やエアバスがあります」ライス大学の化学者トゥールは2006年、フェリンガの研究を基にして、DNA鎖1本分の幅ほどの世界初のモーター駆動式「ナノカー」を開発した。トゥールは、水素と炭素でできた車軸とシャーシに、バッキーボールと呼ばれる炭素の丸い構造物4つを取り付けた。研究者たちがその分子に紫外線レーザーを照射すると、中心結合の電子がより高いエネルギー状態にジャンプして再び緩和し、モーターが回転し、車輪が回転して、車両が前進する。2017年、トゥール率いるチームは、南フランスで学術研究室同士が競い合う初の国際ナノカーレースで優勝した（科学者たちは走査型トンネル顕微鏡で彼らの創作物をのぞき込み、声援を送った。トゥールのナノカーは平均時速95ナノメートルを達成した）。その年、トゥールはサントスの注目を集める論文を発表した。 分子マシンは、ナノデイトナ500レースに出場する以上のことができる。体内の特定の部位に薬剤を届けるのに役立つ可能性がある。また、危険な細胞に狙いを定めて膜に穴を開け、迅速かつ暴力的な死を引き起こすこともできる。トゥールは60代半ばの健康な男性で、礼儀正しくも遊び心があり、白髪交じりの髪はロジャース氏の教授版のような雰囲気を醸し出している。彼のオフィスでは、彼は小瓶のトレイを取り出し、それぞれに異なる分子が入っており、その後ろには化学構造のスケッチがあった。トゥールは 建設された ナノスケールの構造をどれほどの精度で作れるかを示すために、2000 の分子を描いた。絵は棒人間のようで、各分子にはニックネームと帽子があった。1 つは王冠をかぶっているように見え (NanoMonarch)、もう 1 つは卒業帽をかぶっている (NanoScholar)。その間にカウボーイ ハットをかぶった分子があった。これが NanoTexan だった。「ご迷惑をおかけして申し訳ありません。今朝、ラテをお渡しした時に、良い一日をお過ごしくださいと特にお伝えしたのですが、あなたは『ありがとう、そうします』とおっしゃったのです。」アッシャー・パールマンによる漫画私たちは長いマホガニーのテーブルに座った。私たちの上には、世界で最も薄いとされる固体で描かれたトゥールの肖像画が掛かっていた。 グラフェントゥールはグラフェンの新しい製造プロセスを開発し、大規模に導入できることを期待している。 大いに宣伝された この資料は大いに宣伝されたが、まだ広く普及していない。（彼は生命の起源についてオンラインで激しい論争を繰り広げていることでも知られている。）トゥールは、2000年代に分子マシンの医療への応用を模索し始めて以来、分子マシンの2つの大きな進歩について話してくれた。1つ目はマシンのエネルギー源に関するものだった。分子を活性化するために、彼のチームは当初、細胞に有毒な紫外線を使用していた。(日焼け止めを塗ってください!) 彼は本棚の方へ歩いていった。「これを見て？」と彼は、手のひらほどもある真鍮色の弾丸を掲げて尋ねた。見ないわけにはいかなかった。「50口径の弾丸です」と彼は言った。「これは紫外線で、膨大なエネルギーを蓄えています。」 窒素または酸素基を彼の極小のドリルに取り付けることで、トゥールのチームは、ドリルを集中した可視青色光の下で回転するように設計した。トゥールが私に語ったところによると、いくつかの新しい機械は、さらに弱い近赤外線と呼ばれる光で作動できるという。「近赤外線は、22口径の弾丸のようなものです」と彼は言った。「小さなものです。」2 つ目の進歩は、分子がどのように、そしてどのくらいの速さで動くかに関するものでした。トゥールの研究室の研究者、シセロン・アヤラ・オロスコは、一部の医療用染料の分子を刺激して 1 秒間に何兆回も振動させ、ドリルというより削岩機のようにすることができることを発見しました。アヤラ・オロスコと彼の同僚は、マウスに数百万個のメラノーマ細胞を注入し、1…