Разработчики но
вой технологии будут строить и наносхемы, и наномашины.

Молекулярная технология сег
одня

Одно из определений машины по словарю Ц "любая система, обычно из тверды
х частей, сформированных и связанных так, чтобы изменять, передавать, и на
правлять используемые силы определенным способом для достижения опред
еленной цели, такой как выполнение полезной работы." Молекулярные машины
подходят под это определение вполне хорошо.
Чтобы представить себе эти машины, нужно сначала дать наглядное предста
вление о молекулах. Мы можем изобразить атомы как бусинки, а молекулы как
группы бусинок, подобно детским бусам, соединённым кусочками нитки. На с
амом деле, химики иногда представляют молекулы наглядно, строя модели из
пластмассовых бусинок (некоторые из которых связаны в нескольких напра
влениях чем-то подобным спицам в наборе Tinkertoy). Атомы имеют круглую форму по
добно бусинам, и хотя молекулярные связи Ц не кусочки нитки, наша картин
ка как минимум даёт важное представление, что связи могут быть порваны и
восстановлены.
Если атом был бы размером маленького мраморного шарика, довольно сложна
я молекула была бы размером с кулак. Это даёт полезный мысленный образ, но
на самом деле атомы около 1/10.000 размера бактерии, а бактерия Ц около 1/10.000 разм
ера комара. (Ядро атома, однако, составляет около 1/100.000 размера самого атома;
разница между атомом и ядром Ц это разница между огнем и ядерной реакци
ей.)
Вещи вокруг нас действуют, как они действуют, из-за того, как ведут себя их
молекулы. Воздух не держит ни форму, ни объем, потому что молекулы двигают
ся свободно, сталкиваясь и отскакивая рикошетом в открытом пространств
е. Молекулы воды держатся вместе в процессе перемещения, поэтому вода со
храняет постоянный объём в процессе изменения своей формы. Медь сохраня
ет свою форму потому что её атомы связаны друг с другом в определённую ст
руктуру; мы можем согнуть её или ковать её, потому что её атомы скользят др
уг относительно друга, оставаясь при этом связанными вместе. Стекло разб
ивается, когда мы ударяем по нему молотком, потому что его атомы отделяют
ся друг от друга раньше, чем начинают скользить. Резина состоит из цепоче
к перекрученных молекул, подобно клубку веревок. Когда её растягивают и
отпускают, её молекулы распрямляются и сворачиваются опять. Эти простые
молекулярные схемы образуют пассивные вещества. Более сложные схемы об
разуют активные наномашины живых клеток.
Биохимики уже работают с этими машинами, которые в основном состоят из б
елка, основной строительный материал живых клеток. Эти молекулярные маш
ины имеют относительно немного атомов, и так что они имеют бугорчатую по
верхность, подобно объектам, сделанным склеиванием вместе горстки мрам
орных шариков. Также многие пары атомов связаны связями, которые могут с
гибаться и вращаться, поэтому белковые машины необычно гибки. Но подобно
всем машинам, они имеют части различной формы и размеров, которые выполн
яют полезную работу. Все машины используют группы атомов в качестве свои
х частей. Просто белковые машины используют очень маленькие группы.
Биохимики мечтают о проектировании и создании таких устройств, но есть т
рудности, которые ещё необходимо преодолеть. Инженеры используют лучи с
вета, чтобы наносить схемы на кремниевые чипы, но химики вынуждены испол
ьзовать намного более косвенные методы, чем этот. Когда они комбинируют
молекулы в различных последовательностях, у них есть только ограненный
контроль над тем, как молекулы соединяются. Когда биохимикам нужны сложн
ые молекулярные машины, они все еще должны заимствовать их из клеток. Одн
ако, продвинутые молекулярные машины в конечном счете позволят им строи
ть наносхемы или наномашины также просто и непосредственно, как сейчас и
нженеры строят микросхемы и моечные машины. После этого прогресс станет
впечатляюще стремительным.
Генные инженеры уже показывают путь. Обычно, когда химики делают молекул
ярные цепи, называемые «полимерами» Ц они сваливают молекулы в сосуд, г
де они в жидкости сталкиваются и связываются случайным образом. Появляю
щиеся в результате цепи имеют различные длины, а молекулы связываются бе
з какого-либо определённого порядка.
Но в современных машинах генного синтеза, генные инженеры строят более о
рганизованные полимеры Ц специфические молекулы ДНК, соединяя молеку
лы в определённом порядке. Эти молекулы Ц нуклеотиды ДНК (буквы генетич
еского алфавита) и генные инженеры не сваливают их все вместе. Вместо это
го они заставляют машины добавлять различные нуклеотиды в определённо
й последовательности, чтобы составить определённую фразу. Вначале они с
вязывают один тип нуклеотидов с концом цепи, потом они вымывают лишний м
атериал и добавляют химические вещества, чтобы подготовить конец цепи к
связыванию со следующим нуклеотидом. Они растят цепи, нанизывая нуклеот
иды по одному за раз в запрограммированном порядке. Они прицепляют самый
первый нуклеотид в каждой цепи к твёрдой поверхности, чтобы удержать це
пь от размывания химической средой, в которой она находится. Таким образ
ом, они заставляют большую неуклюжую машину собирать определённые моле
кулярные структуры из частей, которые в сотни миллионов раз меньше, чем о
на сама.
Но этот слепой процесс сборки случайно пропускает в некоторых цепях нук
леотиды. Вероятность ошибок растет, поскольку цепи становятся более дли
нными. Подобно рабочим, откладывающим в сторону плохие части перед сборк
ой автомобиля, генные инженеры уменьшают ошибки, отбраковывая плохие це
пи. Далее, чтобы соединить эти короткие цепи в работающие гены (обычно дли
ной в тысячи нуклеотидов), они обращаются к молекулярным машинам, имеющи
мся в бактериях.
Эти белковые машины, называемые ферментами ограничения, интерпретирую
т некоторые последовательности ДНК как "резать здесь." Они считывают эти
участки гена контактно, прилипая к ним, и они разрезают цепь, меняя порядо
к нескольких атомов. Другие ферменты соединяют части вместе, «читая» соо
тветствующие части как "склеить здесь", аналогично «читают» цепи выбороч
ным прилипанием и соединяют их, изменяя порядок нескольких атомов. Испол
ьзуя генные машины для чтения, а ферменты ограничения для разрезания и с
клеивания, генные инженеры могут написать и отредактировать любую фраз
у ДНК, которую захотят.
Но сама по себе ДНК довольно бесполезная молекула. Она ни прочтена как Kevlar,
ни обладает цветом как красители, ни активна подобно ферменту, все же она
имеет кое-что, что промышленность готова тратить миллионы долларов, что
бы это использовать: способность направить молекулярные машины, называ
емые рибосомами. В клетках молекулярные машины вначале производят тран
скрипцию ДНК, копируя информацию с неё на «ленты» РНК. Далее, подобно стар
ым машинам, управляемым цифровым кодом, записанным на ленте, рибосомы ст
роят белки, основываясь на инструкциях, хранящихся на нитках РНК. А уже бе
лки полезны.
Белки, подобно ДНК, походят на бугорчатые нити бусинок. Но в отличие от ДНК
, молекулы белка сворачиваются, чтобы образовывать маленькие объекты, сп
особные что-то делать. Некоторые Ц ферменты, машины, которые создают и ра
зрушают молекулы (а также копируют ДНК, расшифровывают их, и строят други
е белки в этом же жизненном цикле). Другие белки Ц гормоны, связывающиеся
с другими белками, чтобы давать сигналы клеткам изменять своё поведение
. Генные инженеры могут производить эти объекты с небольшими затратами н
аправляя дешёвые и эффективные молекулярные машины внутрь живых орган
измов для выполнения этой работы. В то время как инженеры, управляющие хи
мическим заводом должны работать с цистернами реагирующих химических
веществ (которые часто приводят атомы в беспорядок и выделяют вредные по
бочные продукты), инженеры, работающие с бактериями, могут заставлять их
абсорбировать химические вещества, аккуратно изменяя порядок атомов, и
сохранять продукт или высвобождать его в жидкость вокруг них.
Генные инженеры сейчас запрограммировали бактерии делать белки, от чел
овеческого гормона роста до ренина, фермента, используемый в создании сы
ра. Фармацевтическая компания Eli Lilly (Индианаполис) Ц сейчас продвигает на
рынок Хьюмулин, молекулы инсулина человека, произведённые бактериями.


Существующие белковые машин
ы

Эти гормоны белка и ферменты выборочно прилипают к другим молекулам. Фер
мент изменяет структуру цели, затем идёт дальше; гормон воздействует на
поведение цели только пока оба остаются связанными вместе. Ферменты и го
рмоны могут быть описаны в терминах механики, но их поведение лучше опис
ывается в химических терминах.
Но другие белки выполняют простые механические функции. Некоторые тяну
т и толкают, некоторые действуют как шнуры или распорки, и части некоторы
х молекул являются превосходными подпорками. Механизм мускула, наприме
р, имеют наборы белков, которые достигают, захватывают «веревку» (также с
деланную из белка), тащат её, потом отходят, чтобы захватить новую; во всех
случаях, когда вы двигаетесь, вы используете эти машины. Амёбы и человече
ские клетки двигаются и изменяют форму, используя волокна и палочки, кот
орые действуют как мускулы и кости молекул. Реверсивный, с изменяемой ск
оростью двигатель толкает бактерию в воде поворачивая пропеллеры форм
ы спирали. Если любитель бы мог построить миниатюрные автомобильчики во
круг такого двигателя, несколько миллиардов миллиардов помещались бы в
карман, а через ваш самый тонкий капилляр могла бы быть построена 150-полос
ная магистраль.
Простые молекулярные устройства комбинируются для формирования систе
мы, походящей на промышленные машины. В 1950-ых инженеры разрабатывали стан
ки, которые режут металл под контролем перфорированной бумажной ленты. П
олтора столетия ранее, Джозеф-Мэри Джакквард построил ткацкий станок, к
оторый ткал сложные рисунки под контролем последовательности перфорир
ованных карт. Однако более трёх миллиардов до Джаккварда, клетки разрабо
тали механизм рибосомы. Рибосомы доказали, что наномашины, построенные и
з белка и РНК, могут запрограммироваться на построение сложных молекул.

Теперь рассмотрим вирусы. Один вид, T4 phage, действует подобно шприцу с пружин
ой и напоминает что-то из промышленного каталога запчастей. Он может при
лепляться к бактерии, пробивать отверстие, и вводить вирусный ДНК (да, даж
е бактерии страдают заразными болезнями). Подобно всем организмам, эти в
ирусы существуют потому что они довольно стабильны и хорошо умеют делат
ь копии себя.
В клетках или нет, наномашины подчиняются универсальным законам природ
ы. Обычные химические связи держат их атомы вместе, и обычные химические
реакции (управляемые другими наномашинами) их собирают. Молекулы белка м
огут даже соединяться для образования машин без специальной помощи, дви
жимые только тепловым возбуждением и химическими силами. Перемешивая в
ирусные белки (и ДНК, которые они обслуживают) в испытательной пробирке, м
олекулярные биологи собирали работающие вирусу T4. Это умение удивительн
о: представьте себе, что вы складываете части автомобиля в большую короб
ку, встряхиваете её и, когда заглядываете внутрь, обнаруживаете там собр
анный автомобиль! Однако этот вирус Т4 Ц только один из многих самособир
ающихся структур. Молекулярные биологи разобрали механизм рибосомы на
пятьдесят отдельных белков и молекул РНК, и потом поместили их в испытат
ельную пробирку и они образоавли работающую рибосому снова.
Чтобы видеть, как это случается, вообразите различные цепи белков T4, плава
ющие в воде. Каждый вид белка сворачивается и образует кусок со специфич
ескими для него выпуклостями и впадинами, покрытый характерными набора
ми из молекул жира, воды и электрическим зарядом. Представьте их себе гул
яющими свободно и поворачивающими, толкаясь от температурных вибраций
окружающих молекул воды. Время от времени их пары ударяются, потом расхо
дятся. Иногда, хотя пара соударяется так, что выпуклости одного подходят
под впадины другого и клейкие участки соответствуют друг другу; тогда он
и притягиваются друг к другу и прилипают. Таким образом белок добавляетс
я к другому белку и образует части вируса, а части собираются и образуют ц
елое.
Инженеры по белкам не будут нуждаться в наноманипуляторах и нанорычага
х, чтобы собирать сложные наномашины. Однако, крошечные манипуляторы буд
ут полезны, и они будут построены. Точно также, как сегодняшние инженеры с
троят такие сложные машины как рояли и манипуляторы робота из обычных мо
торов, подшипников и движущихся частей, завтрашние биохимики будут спос
обны использовать молекулы белка как двигатели, подшипники и движущиес
я части, чтобы строить манипуляторы роботов, которые сами будут способны
манипулировать отдельными молекулами.

Конструирование с помощью б
елка

Насколько далека от нас такая способность? Некоторые шаги уже сделаны, н
о остаётся ещё много работы. Биохимики уже нанесли на карту структуры мн
огих белков. С помощью механизмов гена, дающими возможность записывать л
енты ДНК, они могут направить клетки на строительство любого белка, они м
огут разработоать цепи, которые сворачиваться в белки нужной формы и с т
ребуемыми функциями. Силы, которые сворачивают белки слабы, а число возм
ожных способов, которыми белок может свернуться Ц астрономическое, поэ
тому разработка больших белков с самого начала непросто.
Силы, которые удерживают белки вместе, чтобы образовать сложные машины
Ц те же самые, которые вначале сворачивают цепи белков.
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47