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.
Универсальные ассемблеры
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.
Какие будут выводы?
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.
Не сделают ли тепловые вибрации молекул молекулярные машины неработоспособными или слишком ненадёжными, чтобы их использовать?
Тепловые колебания причинят большие проблемы чем принцип неуверенности, однако здесь снова существующие молекулярные машины непосредственно демонстрируют, что молекулярные машины могут работать при обычных температурах. Несмотря на тепловые колебания, механизмы копирования ДНК в некоторых клетках делают меньше чем одну ошибку на 100 000 000 000 операций. Чтобы достичь такой точности, однако, клетки используют машины (такие как фермент ДНК-полимераза I), которая проверяет копию и исправляет ошибки. Для ассемблеров вполне может быть необходима аналогичные способности проверки и исправления ошибок, если они предназначены выдавать надёжные результаты.
Не будет ли радиация разрушать молекулярные машины или делать их непригодными для использования?
Радиация высокой энергии может нарушать химические связи и разрушать молекулярные машины. Живые клетки еще раз показывают, что решения существуют: они работают в течение лет, восстанавливая и заменяя поврежденные радиацией части. Однако поскольку каждая отдельная машина такая крошечная, она представляет собой маленькую цель для радиации и радиация редко в неё попадает. Всё же, если система наномашин должна быть надёжна, то она должна выдерживать определённое количество повреждений, а повреждённые части должны регулярно чиниться или заменяться. Этот подход к надёжности хорошо знаком разработчикам самолётов и космических кораблей.
Эволюция не сумела произвести ассемблеры, не говорит ли это о том, что они являются либо невозможными, либо бесполезными?
Отвечая на предыдущие вопросы, мы отчасти ссылались на уже работающие молекулярные машины клеток.
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 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87
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.
Универсальные ассемблеры
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.
Какие будут выводы?
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.
Не сделают ли тепловые вибрации молекул молекулярные машины неработоспособными или слишком ненадёжными, чтобы их использовать?
Тепловые колебания причинят большие проблемы чем принцип неуверенности, однако здесь снова существующие молекулярные машины непосредственно демонстрируют, что молекулярные машины могут работать при обычных температурах. Несмотря на тепловые колебания, механизмы копирования ДНК в некоторых клетках делают меньше чем одну ошибку на 100 000 000 000 операций. Чтобы достичь такой точности, однако, клетки используют машины (такие как фермент ДНК-полимераза I), которая проверяет копию и исправляет ошибки. Для ассемблеров вполне может быть необходима аналогичные способности проверки и исправления ошибок, если они предназначены выдавать надёжные результаты.
Не будет ли радиация разрушать молекулярные машины или делать их непригодными для использования?
Радиация высокой энергии может нарушать химические связи и разрушать молекулярные машины. Живые клетки еще раз показывают, что решения существуют: они работают в течение лет, восстанавливая и заменяя поврежденные радиацией части. Однако поскольку каждая отдельная машина такая крошечная, она представляет собой маленькую цель для радиации и радиация редко в неё попадает. Всё же, если система наномашин должна быть надёжна, то она должна выдерживать определённое количество повреждений, а повреждённые части должны регулярно чиниться или заменяться. Этот подход к надёжности хорошо знаком разработчикам самолётов и космических кораблей.
Эволюция не сумела произвести ассемблеры, не говорит ли это о том, что они являются либо невозможными, либо бесполезными?
Отвечая на предыдущие вопросы, мы отчасти ссылались на уже работающие молекулярные машины клеток.
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 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87