Отличающиеся фо
рмы и виды прилипания аминокислот Ц бугорчатые молекулярные «бусинки
», формирующие цепи белков, заставляют каждую цепь белка сворачиваться о
собым образом и образовывать объект определённой формы. Биохимики изуч
или правила, которые дают поняти о том, как цепочка аминокислот может сво
рачиваться, но эти правила не очень твёрдые. Попытка предсказать как цеп
ь будет сворачиваться подобна попытке разгадать кроссворд, но кроссвор
д без пропечатанной формы, которая бы позволяла определить, правилен ли
ответ, и с частями, которые могут соответствовать друг другу почти также
хорошо (или плохо) многими различными способами, но все кроме одного из ни
х Ц неправильные. Неправильное начало может занять большую часть време
ни жизни, а правильный ответ так и не будет распознан. Биохимики, использу
я лучшие компьютерные программы, имеющиеся на сегодняшний день, всё же н
е могут предсказывать, как длинный естественный белок будет на самом дел
е сворачиваться, и некоторые из них уже отчаялись научиться разрабатыва
ть молекулы белка в ближайшем будущем.
Однако большинство биохимиков работает как ученые, а не как инженеры. Он
и работают возможностью предсказывать, как будут сворачиваться естест
венные белки, а не над проектированием белков, которые будут предсказуем
о сворачиваться. Эти задачи могут выглядеть подобными, но они очень отли
чаются: первое Ц научная задача, вторая Ц конструкторская. Почему есте
ственные белки сворачиваются таким образом, который учёные находят лёг
ким для предсказания? Всё что природа требует Ц это чтобы они на самом де
ле сворачивались правильно, а не чтобы они сворачивалсь способом, очевид
ным для людей.
Можно было бы разрабатывать белки с нуля с тем, чтобы сделать их сворачив
ание более предсказуемым. Карл Пабо, пишущий в журнале Природа, предложи
л стратегию разработки, основанную на понимании этого, и некоторые биохи
мические инженеры разработали и построили короткие цепи из нескольких
десятков кусочков, которые сворачивались и прилипали к поверхности дру
гих молекул так, как планировалось. Они разработали с нуля белок со свойс
твами мелиттина, токсина пчелиного яда. Они модифицировали существующи
е ферменты, изменяя их поведение предсказуемым образом. Наше понимание б
елков растёт с каждым днём.
В 1959, согласно биологу Гарретту Хардину, некоторые генетики назвали генну
ю инженерию невозможной; сегодня, это Ц индустрия. Биохимия и автоматиз
ированное проектирование сейчас бурно развивающиеся области, и как пис
ал Фредерик Блаттнер в журнале Science, "программы по игре в шахматы уже достиг
ли уровня около мастера международного класса. Возможно, решение пробле
мы свёртывания белков ближе, чем мы думаем". Вильям Растеттер из Genentech, пишет
в "Прикладную биохимию и биотехнологию" и спрашивает: "Как далеко от нас от
стоит разработка и синтез ферментов с нуля? Десять, пятнадцать лет?" Он отв
ечает: "Может быть даже быстрее."
Форрест Картер из Военно-морской научно-исследовательской лаборатори
и США, Ари Авирам и Филипп Сеиден из IBM, Кевин Улмер из корпорации Genex, а также д
ругие исследователи университетских и промышленных лабораторий по все
му земному шару уже начали теоретическую работу и эксперименты, ставящи
е целью разработку молекулярных переключателей, устройств памяти, и дру
гих структур, которые могли бы бы встроены в компьютер, основанный на бел
ках. Американская Военно-морская научно-исследовательская лаборатори
я США провела два международных семинара по молекулярным электронным у
стройствам, а заседание, спонсируемое Национальным обществом науки США
рекоммендовал поддержку для фундаментальных исследований, нацеленных
на разработку молекулярных компьютеров. Япония по сообщениям начала пр
ограмму на много миллионов долларов, имеющую цель разработку самособир
ающихся молекулярных двигателей и компьютеров, а корпорация VLSI Research Inc. Сана
Джоуза, сообщила, что "Похоже, что погоня за биочипами уже началась
. NEC, Hitachi, Toshiba, Matsushita, Fujitsu, Sanyo-Denki и Sharp уже предприняли полномасштабные исследовательски
е усилия по биочипам для биокомпьютеров."
Биохимики имеют другие причины хотеть освоить искусство проектировани
я белка. Новые ферменты обещают выполнять грязные и дорогие химические п
роцессы более дешево и чисто, а новые белки предложат целый спектр новых
инструментов для биотехнологов. Мы уже на пути к разработке белков, а Кев
ин Алмер замечает в цитате из Science, с которой начинается эта глава, эта дорог
а ведёт "к более общей возможности для молекулярного инжиниринга, которы
й бы позволил нам структурировать материю атом за атомом."

Второе поколение Нанотехнол
огии

Несмотря на универсальность, белок имеет недостатки как технический ма
териал. Белковые машины перестают функционировать при высушивании, зам
ерзают при охлаждении, и свариваются при нагревании. Мы не строим машины
из плоти, волос и желатина; за более чем столетия, мы научились использова
ть свои руки из плоти и костей, чтобы строить машины из дерева, керамики, с
тали и пластмассы. Аналогично мы будем поступать в будущем. Мы будем испо
льзовать протеиновые машины, чтобы строить наномашины из более прочног
о вещества, чем белки.
Как только нанотехнология двинется дальше использования белков, она бу
дет становиться более обычной с точки зрения инженера. Молекулы будут со
бираться подобно компонентам набора монтажника, а хорошо связанные час
ти будут оставаться на своих местах. Также как обычные инструменты строя
т обычные машины из частей, также молекулярные инструменты будут связыв
ать молекулы так, чтобы образовывать крошечные двигатели, моторы, рычаги
, обшивки, и собирать их в сложные машины.
Части, содержащие только несколько атомов будут бугристыми, но инженеры
могут работать с бугристыми частями, если они имеют гладкие подпорки, их
поддерживающие. Достаточно удобно, некоторые связи между атомами делаю
т прекрасные подпорки; часть может быть установлена посредством единст
венной химической связи, которая будет позволять поворачивать её свобо
дно и плавно. Так как подпорка может быть сделана с использованием тольк
о двух атомов (и поскольку для движущихся частей нужно лишь в несколько а
томов), наномашины могут на самом деле иметь механические компоненты раз
мера молекулы.
Как эти усовершенствованные машины будут построены? За эти годы, инженер
ы использовали технологию, чтобы улучшить технологию. Они использовали
металлические инструменты, чтобы оформлять металл в лучшие инструмент
ы, и компьютеры, чтобы проектировать и программировать лучшие компьютер
ы. Они будут аналогично использовать белковые наномашины, чтобы строить
лучшие наномашины. Ферменты указывают путь: они собирают большие молеку
лы, «выхватывая» маленькие молекулы из воды, в которой они находятся, и уд
ержания их вместе так, что образуются связи. Ферменты собирают ДНК, РНК, бе
лки, жиры, гормоны и хлорофилл этим способом Ц на самом деле, практически
весь спектр молекул, обнаруживаемых в живых организмах.
Далее инженеры-биохимики будут строить новые ферменты, чтобы собрать но
вые структуры атомов. Например, они могли бы делать ферменто-подобную ма
шину, которая будет присоединять углеродистые атомы к маленькому пятны
шку, слой на слой. Будучи правильно связаны, атомы будут наращиваться и фо
рмировать прекрасное, гибкое алмазное волокно, более пятидесяти раз бол
ее прочное, чем алюминий того же веса. Аэрокосмические компании будут вы
страиваться в очередь, чтобы покупать такое волокно тоннами, чтобы делат
ь детали с улучшенными характеристиками. (это показывает только одну мал
енькую причину, почему конкуренция в военной сфере будет двигать молеку
лярную технологию вперёд, как она двигала многие сферы в прошлом.)
Но действительно большим прогрессом будет, когда белковые машины будут
способны делать структуры более сложные, чем простые волокна. Эти програ
ммируемые белковые машины будут походить на рибосомы, программируемые
РНК, или старое поколение автоматизированных станков, программируемое
перфорированными лентами. Они откроют новый мир возможностей, позволяя
инженерам избежать ограничения белков для построения прочных компактн
ых машин прямым проектированием.
Проектируемые белки будут расщеплять и соединять молекулы, как это дела
ют ферменты. Существующие белки связывают множество меньших молекул, ис
пользуя их как химические инструменты; заново проектируемые белки буду
т использовать все эти инструменты и более того.
Далее, органические химики показали, что химические реакции могут произ
водить замечательные результаты даже без наномашин, чтобы расставлять
молекулы по нужным местам. Химики не имеют никакого прямого контроля над
кувыркающимися движениями молекул в жидкости, поэтому молекулы свобод
ны реагировать любым образом, которым они могут, в зависимости от того, ка
к они сталкиваются. Однако химики тем не менее добиваются, чтобы реагиру
ющие молекулы образовывали правильные структуры, такие как кубические
или двенадцатигранные молекулы, и образовывать структуры, выглядящие н
евероятно, такие как молекулярные кольца с высоконапряжёнными связями.
Молекулярные машины будут иметь ещё большую неустойчивость в образова
нии связей, потому что они могут использовать подобные молекулярные дви
жения для образования связей, но они могут выполнять эти движения такими
способами, какими не могут химики.
Действительно, поскольку химики ещё не могут направить молекулярные дв
ижения, они редко способны собирать сложные молекулы в соответствии с оп
ределёнными планами. Все самые большие молекулы, которые они могут делат
ь с определенными, сложными структурами Ц это линейные цепи. Химики фор
мируют эти структуры (как в механизмах гена), добавляя молекулы по одной в
последовательности к растущей цепи. Только с одним возможным участком с
вязывания в цепи, они могут быть уверены, что добавили следующую часть в п
равильном месте.
Но если округленная, бугристая молекула имеет, скажем, сотню водородных
атомов на своей поверхности, как химики могут отколоть только один специ
фический атом (5 атомов вверх и 3 атома по диагонали спереди на выпуклости),
чтобы добавить что-либо на его место? Смешивание вместе простых химикал
ий редко сделает эту работу, поскольку маленькие молекулы редко могут вы
брать специфические места, с которыми надо реагировать в больших молеку
лах. Но протеиновые машины будут более избирательными.
Гибкая, программируемая белковая машина схватит большую молекулу (объе
кт работы), в то время как маленькая молекула будет установлена именно на
против правильного места. Подобно ферменту, она тогда она свяжет молекул
ы вместе. Привязывая молекулу за молекулой к собираемому куску, машина б
удет собирать всё большую и большую структуру, в то время как будет сохра
няться полный контроль за тем, как его атомы упорядочены. Это есть ключев
ое умение, которым не обладают химики.
Подобно рибосомам, такой наномашины могут работать под управлением мол
екулярных лент. В отличие от рибосом они будут иметь дело с широким разно
образием маленьких молекул (не только аминокислот) и присоединять их к с
обираемому объекту не только в конце цепи, но и в любом желаемом месте. Бел
ковые машины таким образом объединят расщепляющие и склеивающие спосо
бности ферментов с возможностью программирования рибосом. Но в то время
как рибосомы могут строить только неплотные сладки белка, эти белковые м
ашины будут строить маленькие, твердых объекты из металла, керамики или
алмаза Ц невидимо маленькие, но прочные.
Где наши пальцы из плоти подвержены ушибам или ожогам, мы обращаемся к ст
альным клещам. Где белковые машины, вероятно, могут быть разрушены или ра
спадутся, мы обратимся к наномашинам, сделанным из более жесткого матери
ала.

Универсальные ассемблеры

Это второе поколение наномашин, построенное из чего-то большего чем тол
ько белков, будет делать все, что могут делать белки, но и более того. В част
ности некоторые будут служить как усовершенствованные устройства для
сборки молекулярных структур. Устойчивые к кислоте или вакууму, замораж
иванию или нагреву, в зависимости от цели использования, ферменто-подоб
ные машины второго поколения будут способны использовать в качестве «и
нструментов» почти любую из молекул, используемых химиками в реакциях, н
о они будут с ними обращаться с точностью программируемых машин. Они буд
ут способны связать атомы для получения практически любой устойчивой с
труктуры, добавляя понемногу за раз к поверхности рабочего куска до тех
пор, пока сложная структура не будет завершена. Думайте о наномашинах ка
к об ассемблерах.
Поскольку ассемблеры позволят нам размещать атомы почти любым разумны
м образом (как Ц это обсуждается в Примечаниях), они позволят нам строить
почти всё что угодно, чему законы природы позволяют существовать. В част
ности они позволят нам строить почти всё что угодно, что мы можем разрабо
тать, включая новые ассемблеры. Последствия этого будут глубокими, потом
у что наши грубые инструменты позволяют нам исследовать только малую ча
сть всего спектра возможностей, которые позволяет природа. Ассемблеры о
ткроют мир новых технологий.
Успехи в медицинских, космических, вычислительных, военных технологиях
Ц все они зависят от нашей способности упорядочивать атомы. С ассемблер
ами, мы будем способны повторно переделать наш мир или уничтожить его. Та
к в этом пункте кажется мудрым отступить назад и посмотреть настолько яс
но, насколько это возможно, чтобы мы могли убедиться, что ассемблеры и нан
отехнология не просто футурологический мираж.
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