Как эти усовершенствованные машины будут построены? За эти годы, инженеры использовали технологию, чтобы улучшить технологию. Они использовали металлические инструменты, чтобы оформлять металл в лучшие инструменты, и компьютеры, чтобы проектировать и программировать лучшие компьютеры. Они будут аналогично использовать белковые наномашины, чтобы строить лучшие наномашины. Ферменты указывают путь: они собирают большие молекулы, «выхватывая» маленькие молекулы из воды, в которой они находятся, и удержания их вместе так, что образуются связи. Ферменты собирают ДНК, РНК, белки, жиры, гормоны и хлорофилл этим способом – на самом деле, практически весь спектр молекул, обнаруживаемых в живых организмах.
Далее инженеры-биохимики будут строить новые ферменты, чтобы собрать новые структуры атомов. Например, они могли бы делать ферменто-подобную машину, которая будет присоединять углеродистые атомы к маленькому пятнышку, слой на слой. Будучи правильно связаны, атомы будут наращиваться и формировать прекрасное, гибкое алмазное волокно, более пятидесяти раз более прочное, чем алюминий того же веса. Аэрокосмические компании будут выстраиваться в очередь, чтобы покупать такое волокно тоннами, чтобы делать детали с улучшенными характеристиками. (это показывает только одну маленькую причину, почему конкуренция в военной сфере будет двигать молекулярную 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 программируемые 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 компактных машин прямым проектированием.
Проектируемые белки будут расщеплять и соединять молекулы, как это делают ферменты. Существующие белки связывают множество меньших молекул, используя их как химические инструменты; заново проектируемые белки будут использовать все эти инструменты и более того.
Далее, органические химики показали, что химические реакции могут производить 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 свободны реагировать любым образом, которым они могут, в зависимости от того, как они сталкиваются. Однако химики тем не менее добиваются, чтобы реагирующие молекулы образовывали правильные структуры, такие как кубические или двенадцатигранные молекулы, и образовывать структуры, выглядящие невероятно, такие как молекулярные кольца с высоконапряжёнными связями. Молекулярные машины будут иметь ещё большую неустойчивость в образовании связей, потому что они могут использовать подобные молекулярные движения для образования связей, но они могут выполнять эти движения такими способами, какими не могут химики.
Действительно, поскольку химики ещё не могут направить молекулярные движения, они редко способны собирать сложные молекулы в соответствии с определёнными планами. Все самые большие молекулы, которые они могут делать с определенными, сложными структурами – это линейные цепи. Химики формируют эти структуры (как в механизмах гена), добавляя молекулы по одной в последовательности к растущей цепи. Только с одним возможным участком связывания в цепи, они могут быть уверены, что добавили следующую часть в правильном месте.
Но если округленная, бугристая молекула имеет, скажем, сотню водородных атомов на своей поверхности, как химики могут отколоть только один специфический атом (5 атомов вверх и 3 атома по диагонали спереди на выпуклости), чтобы добавить что-либо на его место? Смешивание вместе простых химикалий редко сделает эту работу, поскольку маленькие молекулы редко могут выбрать специфические места, с которыми надо реагировать в больших молекулах. Но протеиновые машины будут более избирательными.
Гибкая, программируемая белковая машина схватит большую молекулу (объект работы), в то время как маленькая молекула будет установлена именно напротив правильного места. Подобно ферменту, она тогда она свяжет молекулы вместе. Привязывая молекулу за молекулой к собираемому куску, машина будет собирать всё большую и большую структуру, в то время как будет сохраняться полный контроль за тем, как его атомы упорядочены. Это есть ключевое умение, которым не обладают химики.
Подобно рибосомам, такой наномашины могут работать под управлением молекулярных лент. В отличие от рибосом они будут иметь дело с широким разнообразием маленьких молекул (не только аминокислот) и присоединять их к собираемому объекту не только в конце цепи, но и в любом желаемом месте. Белковые машины таким образом объединят расщепляющие и склеивающие способности ферментов с возможностью программирования рибосом. Но в то время как рибосомы могут строить только неплотные сладки белка, эти белковые машины будут строить маленькие, твердых объекты из металла, керамики или алмаза – невидимо маленькие, но прочные.
Где наши пальцы из плоти подвержены ушибам или ожогам, мы обращаемся к стальным клещам. Где белковые машины, вероятно, могут быть разрушены или распадутся, мы обратимся к наномашинам, сделанным из более жесткого материала.
Это второе поколение наномашин, построенное из чего-то большего чем только белков, будет делать все, что могут делать белки, но и более того. В частности некоторые будут служить как усовершенствованные устройства для сборки молекулярных структур. Устойчивые к кислоте или вакууму, замораживанию или нагреву, в зависимости от цели использования, ферменто-подобные машины второго поколения будут способны использовать в качестве «инструментов» почти любую из молекул, используемых химиками в реакциях, но они будут с ними обращаться с точностью программируемых машин. Они будут способны связать атомы для получения практически любой устойчивой структуры, добавляя понемногу за раз к поверхности рабочего куска до тех пор, пока сложная структура не будет завершена. Думайте о наномашинах как об ассемблерах.
Поскольку ассемблеры позволят нам размещать атомы почти любым разумным образом (как – это обсуждается в Примечаниях), они позволят нам строить почти всё что угодно, чему законы природы позволяют существовать. В частности они позволят нам строить почти всё что угодно, что мы можем разработать, включая новые ассемблеры. Последствия этого будут глубокими, потому что наши грубые инструменты позволяют нам исследовать только малую часть всего спектра возможностей, которые позволяет природа. Ассемблеры откроют мир новых технологий.
Успехи в медицинских, космических, вычислительных, военных технологиях – все они зависят от нашей способности упорядочивать атомы. С ассемблерами, мы будем способны повторно переделать наш мир или уничтожить его. Так в этом пункте кажется мудрым отступить назад и посмотреть настолько ясно, насколько это возможно, чтобы мы могли убедиться, что ассемблеры и нанотехнология не просто футурологический мираж.
Во всем, что я описал, я в большой мере основывался на доказанных фактах химии и молекулярной биологии. Однако, люди регулярно поднимают некоторые вопросы, уходящие корнями в физику и биологию. Эти вопросы заслуживают более прямых ответов.
Не сделает ли принцип неопределённости квантовой физики молекулярные машины неосуществимыми?
Это принципиальное утверждение (среди других), что не может быть определено точное местоположение частицы в течение любого отрезка времени. Это ограничивает то, что молекулярные машины могут делать, также, как это ограничивает то, что может делать что угодно еще. Тем не менее, вычисления показывают что принцип неопределённости накладывает мало существенных ограничений на то, насколько хорошо атомы могут помещаться на какое-то место, по крайней мере для тех целей, которые обрисовываются здесь. Принцип неопределённости делает местоположение электронов довольно расплывчатым, и в действительности эта расплывчатость определяет сам размер и структуру атомов. Атом как целое, однако, имеет сравнительно определённое местоположение, установленное своему относительно массивному ядру. Если бы атомы не сохраняли своё положение сравнительно хорошо, молекулы бы не существовали. Квантовой механики не требуется, чтобы доверять этим заключениям, поскольку молекулярные машины в клетке демонстрируют, что молекулярные машины работают.