отличаются: первое – научная задача, вторая – конструкторская. Почему естественные белки сворачиваются таким образом, который учёные находят лёгким для предсказания? Всё что природа требует – это чтобы они на самом деле сворачивались правильно, а не чтобы они сворачивалсь способом, очевидным для людей.
Можно было бы разрабатывать белки с нуля с тем, чтобы сделать их сворачивание более предсказуемым. Карл Пабо, пишущий в журнале Природа, предложил стратегию разработки, основанную на понимании этого, и некоторые биохимические инженеры разработали и построили короткие цепи из нескольких десятков кусочков, которые сворачивались и прилипали к поверхности других молекул так, как планировалось. Они разработали с нуля белок со свойствами мелиттина, токсина пчелиного яда. Они модифицировали существующие ферменты, изменяя их поведение предсказуемым образом. Наше понимание белков растёт с каждым днём.
В 1959, согласно биологу Гарретту Хардину, некоторые генетики назвали генную инженерию невозможной; сегодня, это – индустрия. Биохимия и автоматизированное проектирование сейчас бурно развивающиеся области, и как писал Фредерик Блаттнер в журнале Science, 'программы по игре в шахматы уже достигли уровня около мастера международного класса. Возможно, решение проблемы свёртывания белков ближе, чем мы думаем'. Вильям Растеттер из Genentech, пишет в 'Прикладную биохимию и биотехнологию' и спрашивает: 'Как далеко от нас отстоит разработка и синтез ферментов с нуля? Десять, пятнадцать лет?' Он отвечает: 'Может быть даже быстрее.'
Форрест Картер из Военно-морской научно-исследовательской лаборатории США, Ари Авирам и Филипп Сеиден из IBM, Кевин Улмер из корпорации Genex, а также другие исследователи университетских и промышленных лабораторий по всему земному шару уже начали теоретическую работу и эксперименты, ставящие целью разработку молекулярных переключателей, устройств памяти, и других структур, которые могли бы бы встроены в компьютер, основанный на белках. Американская Военно-морская научно- исследовательская лаборатория США провела два международных семинара по молекулярным электронным устройствам, а заседание, спонсируемое Национальным обществом науки США рекоммендовал поддержку для фундаментальных исследований, нацеленных на разработку молекулярных компьютеров. Япония по сообщениям начала программу на много миллионов долларов, имеющую цель разработку самособирающихся 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 исследовательские усилия по биочипам для биокомпьютеров.'
Биохимики имеют другие причины хотеть освоить искусство проектирования белка. Новые ферменты обещают выполнять грязные и дорогие химические процессы более дешево и чисто, а новые белки предложат целый спектр новых инструментов для биотехнологов. Мы уже на пути к разработке белков, а Кевин Алмер замечает в цитате из Science, с которой начинается эта глава, эта дорога ведёт 'к более общей возможности для молекулярного инжиниринга, который бы позволил нам структурировать материю атом за атомом.'
Несмотря на универсальность, белок имеет недостатки как технический материал. Белковые машины перестают функционировать при высушивании, замерзают при охлаждении, и свариваются при нагревании. Мы не строим машины из плоти, волос и желатина; за более чем столетия, мы научились использовать свои руки из плоти и костей, чтобы строить машины из дерева, керамики, стали и пластмассы. Аналогично мы будем поступать в будущем. Мы будем использовать протеиновые машины, чтобы строить наномашины из более прочного вещества, чем белки.
Как только нанотехнология двинется дальше использования белков, она будет становиться более обычной с точки зрения инженера. Молекулы будут собираться подобно компонентам набора монтажника, а хорошо связанные части будут оставаться на своих местах. Также как обычные инструменты строят обычные машины из частей, также молекулярные инструменты будут связывать 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 делают прекрасные подпорки; часть может быть установлена посредством единственной химической связи, которая будет позволять поворачивать её свободно и плавно. Так как подпорка может быть сделана с использованием только двух атомов (и поскольку для движущихся частей нужно лишь в несколько атомов), наномашины могут на самом деле иметь механические компоненты размера молекулы.
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
