Jsou tak drobní, že je pouhým okem nespatříte. Ale když se jich spojí miliony, dokážou velké věci. Chemičtí roboti měří jen desítky až stovky mikrometrů a strukturou připomínají buňku. „Nechceme stvořit umělý život, i když jsme se inspirovali jednobuněčnými organismy,“ říká docent František Štěpánek, vedoucí projektu CHOBOTIX z Ústavu chemického inženýrství VŠCHT. Svůj výzkum nedávno představil v Praze na evropské konferenci Research Connection 2009.
Roboti, kteří v rámci projektu vznikají, se nevyvíjejí ani nerozmnožují, ale přesto mají s živými tvory ledacos společného. Na rozdíl od klasických robotů totiž nedostávají povely pomocí vysílačky ani nemají procesory a software, který by je řídil. Komunikují pomocí chemických signálů jako hmyz a pohybují se v hejnech s kolektivní inteligencí. Jednotlivci například dokážou reagovat na chemické signály od svých sousedů a vydat se stejným směrem jako oni.
Vnější stěnu chemických robotů tvoří polopropustná membrána připomínající buněčnou stěnu, uvnitř najdeme několik „nádob“ naplněných různými chemickými látkami - tak jako se v buňce nacházejí jednotlivé organely zvané vakuoly.
Na vnější stěně mohou mít roboti receptory, s jejichž pomocí se navážou na určitý typ povrchu. Toho lze využít například při cíleném doručování léků - roboti putující krevním oběhem rozpoznají tkáň rakovinných buněk, zakotví u nich a teprve potom uvolní léčivo. To umožní šetrnější léčbu než klasické léky, které se dostanou do celého těla.
Továrna v lidském těle Samotná myšlenka cílených léčiv není žádnou novinkou. Ale na rozdíl od polymerních struktur pro doručování léků, na kterých pracují jiné týmy, nejsou chemičtí roboti pouhými „náklaďáky“. V jednotlivých nádobách nesou suroviny (proléčiva), ze kterých se samotný lék vyrobí až na místě.
„Robotek by měl pracovat jako taková minilaboratoř nebo minitovárnička. Existuje totiž mnoho látek, které mohou být účinnější na různé typy chorob než dnes používané léky. Jenže jsou nestabilní, takže se za běžné pokojové teploty za několik hodin nebo dní rozloží. Jediná možnost, jak je použít, je jejich výroba přímo v lidském těle,“ vysvětluje František Štěpánek.
Nádoby s proléčivy se tedy ve správný okamžik otevřou, látky začnou uvnitř robota reagovat a vznikne lék. Jak robot pozná, že nastala správná chvíle pro jeho výrobu? Možnosti jsou dvě - v prvním případě dostane povel zvenčí. „Ve stěnách nádob, tvořených fosfolipidovou dvouvrstvou, jsou zakotvené magnetické nanočástice. Když je vystavíme střídavému elektromagnetickému poli, rozvibrují se, čímž se zahřejí a naruší stěny nádoby,“ říká František Štěpánek. Tento způsob aktivace chemické reakce je do jisté míry naslepo, protože vědci mohou jen předpokládat, že se částice už stihly navázat na místo určení.
„Sofistikovanější, ale složitější je druhý způsob, při němž se spustí autokatalytická reakce ve chvíli, kdy se robot naváže na předem určený povrch. Během reakce se v robotovi změní vnitřní podmínky, například teplota, což vede k vypuštění proléčiv z nádob,“ popisuje docent Štěpánek. Výhodou druhé metody je, že se látky neuvolní všechny najednou a mohou unikat postupně pomocí pórů v membránách, které mění svoji velikost.
Postupné dávkování se může uplatnit také při vypouštění z robota
ve chvíli, kdy robot zakotví na povrchu rakovinné buňky.
do okolního prostředí - třeba při léčbě cukrovky, při níž je zapotřebí doplňovat inzulin v různých dávkách podle aktuální koncentrace glukózy v krvi.
Vedle léčby se robotci mohou uplatnit také při diagnostice. Stačí, aby místo léku nesli kontrastní látku, která je dobře vidět při magnetické rezonanci, pomocí rentgenového záření nebo jiné zobrazovací techniky. Dále mohou sloužit jako chemické senzory. „Do míst, kde nelze měřit fyzikální veličiny tradičním způsobem, můžeme poslat hejno robotů, ve kterých dojde k nevratné chemické změně podle toho, co mají měřit - například teplotu, pH nebo koncentraci určité látky,“ naznačuje docent Štěpánek. Roboti proplují tělem, pak je pacient vyloučí a lékaři z nich vyčtou, v jakém prostředí se pohybovali.
Ve vzdálenější budoucnosti by mohli chemičtí roboti fungovat také jako strážci imunitního systému. To v případě, kdy by se do těla vypustilo hejno různě specializovaných robotů, kteří by sledovali jednotlivé složky krevního obrazu a podle potřeby ho regulovali.
V koupelně i v dolech Medicína ovšem není zdaleka jedinou oblastí, kde se chemičtí roboti mohou uplatnit. Vedle exemplářů s měkkou stěnou odborníci z VŠCHT vyvíjejí i další prototypy porézních částic, například z oxidu křemičitého (tedy v podstatě z písku), které budou tvrdší, ale mechanicky odolnější.
Takoví robotci mohou najít využití třeba při čištění a dezinfekci. „Dnešní čisticí, prací i hygienické prostředky se pro dosažení účinku aplikují v nadbytečném množství, protože procento molekul, které skutečně působí přímo na cílovou část povrchu, je velice nízké. Většina se zbytečně rozptyluje do prostředí. Proto vidím robotky, kteří by syntetizovali aktivní látku až při styku se špínou, jako způsob, jak bychom mohli revolučním způsobem snížit dopad lidské činnosti na přírodu,“ konstatuje František Štěpánek.
Robotci ale mohou mít i zcela opačné využití. Vedle vypouštění různých látek do prostředí je mohou naopak pohlcovat. Takoví roboti se uplatní třeba při čištění vody nebo půdy zamořené těžkými kovy, pesticidy nebo jinými chemikáliemi. „Dnes se například kontaminovaná půda musí vybagrovat a odvézt do speciálního zařízení, kde je vystavena vysoké teplotě nebo se propírá vodní parou. To je ovšem energeticky náročné a kromě toho jsou situace, kdy to nejde - třeba u zamořených budov. Chemičtí roboti mohou nečistoty absorbovat do sebe a z nich je pak dostaneme snadněji, protože se v nich koncentrují,“ popisuje František Štěpánek.
Na podobném principu může fungovat užití robotů k získávání surovin, například vzácných kovů, jejichž zdroje jsou rozptýlené. „Zásoby ubývají a lidé se při těžbě začínají vracet i k horninám, které v minulosti odhodili jako balast. Robotci by mohli požadovaný zdroj koncentrovat - ať už v částečně vytěžených dolech, nebo třeba na skládkách, kam dnes vyhazujeme věci, které považujeme za zbytečné, ale suroviny v nich obsažené se ještě lidstvu mohou hodit,“ říká český expert.
A za jak dlouho se praktického využití robotků dočkáme? „Věřím, že u aplikací, které nejsou medicínsky orientované, takže nevyžadují práci ve sterilním prostředí, klinické studie atd., vyvineme funkční prototypy během pěti let. Kdy se objeví na trhu, ale říci nedokážu -to není jen otázka technická, závisí to na řadě faktorů od patentové ochrany přes náklady na výrobu, marketing a podobně,“ dodává František Štěpánek.
***
Inspirace hmyzem
Chemičtí roboti o velikosti pouhých desítek až stovek mikrometrů vznikají v rámci projektu CHOBOTIX na VŠCHT v Praze.
Hejna robotů čítající stovky milionů jedinců by mohla v budoucnu doručovat léky na určená místa v lidském těle, ale najdou uplatnění také při efektivním odstraňování nečistot nebo těžbě vzácných surovin. Roboti spolu komunikují chemickými signály podobně jako hmyz. Jeden z prototypů částic, které mohou sloužit jako těla robotů. Částice vyrobené z „inteligentního polymeru“ PNIPAM a pokryté nanočásticemi oxidu křemičitého dokážou vratně reagovat na změnu teploty změnou objemu a povrchových vlastností.
Při nižších teplotách jsou nabobtnalé, při vyšších teplotách (asi 37 °C) vypuzují vodu a smršťují se.
Chemický robot v akci
Robot, vnitřní strukturou připomínající buňku, v pravý okamžik uvolní látky z jednotlivých „nádob“.
Jejich reakcí vznikne aktivní látka, kterou pak vypustí ven. Tímto způsobem lze například z proléčiv vyrábět aktivní lék Vedoucí projektu docent František Štěpánek (*1974) se po osmi letech strávených v Británii (většinou jako přednášející na prestižní
Imperial College v Londýně) vrátil do Česka a s využitím grantu Evropské výzkumné rady založil Laboratoř chemické robotiky na VŠCHT v Praze.
Částici (snímek nahoře) pokrývají dva druhy silikových nanočástic - větších a menších (detail dole)
