ЗАКУПОРЕННАЯ АССЕМБЛЕРНАЯ ЛАБОРАТОРИЯ: Рабочее пространство, содержащее ассемблеры, которое закрыто со всех сторон таким образом, что информация может течь проникать и внутрь и наружу, но однако материя (ассемблеры или продукты их деятельности) наружу проникать выходить не могутможет.

СИНАПС: Структура, которая передает сигналы от нейрона к соседнему нейрону neuron (или к другиной клетке).

ВИРУС: Маленький репликатор, состоящий практически только лишь из плотноупакованной ДНК или РНКeplicator consisting of little but a package of DNA or RNA репликатор, состоящий из небольшого количества хорошо упакованной ДНК или РНК, который, будучи введённым в клетку хозяина, может направить молекулярные механизмы клетки на производство make more viruses новыхбольшего количества в вирусов.

НУЛЕВАЯ СУММА: Термин, используемый для описания ситуации, в которой одино объект (игрок) существо может получать пользу, только если другиеие существа терпят равную потерю; например, игра в покер. (См. Положительная Сумма.)

Часть 1

Обоснование предвидения

Глава 1. МАШИНЫ СТРОИТЕЛЬСТВА

Конструирование белка... представляет первый существенный шаг к более общей возможности молекулярного конструированиястроительства, которая позволила бы нам структурировать материю атом за атомом.

КЕВИН АЛМЕР,

директор по перспективным исследованиям корпорации Genex

УГОЛЬ И АЛМАЗЫ, песок и чипы компьютера, рак и здоровая ткань - на всём протяжении историивсегда и везде, в зависимости от упорядочения атомов, возникало дешевое или драгоценное, больное или здоровое. Упорядоченные одним образом, атомы составляют почву, воздух и воду; упорядоченные другим, они составляют спелую землянику. Упорядоченные одним образом, они образуют дома и свежий воздух; упорядоченные другим, они образуют- золу и дым.

Наша способность упорядочивать атомы лежит в основе всех технологиитехнологий. Мы ушли далеко в своей способности упорядочивать атомы, от заточки кремня для наконечников стрел до обработки алюминия для космических кораблей. Мы гордимся нашей нашими технологиейтехнологиями, -с нашими лекарствами, спасающими жизнь, нашимии настольными компьютерами.… Однако и наши космические корабли всё ещё грубы, наши и компьютеры пока ещё глупые, а и молекулы в самих наших тканях всё ещё постепенно приходят в беспорядок, вначале разрушая здоровье, а затем и саму жизнь. При всех наших успехах в упорядочении атомов мы всё ещё используем примитивные методы упорядочения. При нашей имеющейся технологии мМы всё ещё вынуждены манипулировать большими, плохо управляемыми группами атомов.

Но законы природы дают предоставляют нам много всё новые и новые возможностей возможности для прогресса, и давление мировой конкуренции даже теперь толкаетдвижет нас вперед. Хорошо это или плохо, но самое большое технологическое достижение в истории человечества всё ещё нас ожидает впереди.

Два Стиля Технологии Two Styles Of Technology

Вся Наша современная технология основывается на древней традиции. Тридцать тысяч лет назад обтёсывание камня было высокой технологией. Наши предки брали камни, содержащие триллионы триллионов атомов, и удаляли слои, содержащие миллиарды триллионов атомов, чтобыдля того чтобы сделать их них наконечники для стрел. Они делали прекрасную работу с мастерством, трудновоспроизводимым сегодня. Также они делали рисунки на стенах пещер во Франции распылением краски, используя свои hands as stencils руки и в качестве трафаретытрафаретов. Позже они делали горшки обжиганием глины, потом - бронзу, обжигая породу. Они придавали бронзе форму, выковывая её. Они делали железо, потом сталь, и придавали им форму, нагревая, выковывая и снимая стружку.

Мы теперь готовим чистую керамику и более прочные стали, но мы все еще ещё придаём им форму с помощью выковывания, и снятия стружки и т. п. Мы готовим чистый кремний, пилим его в пластины и делаем рисунок на поверхности, используя крошечные трафареты и пучки света. Мы называем эти изделия "чипами" и считаем, что они удивительно малы, по крайней мере, в сравнении с наконечниками стрел.

Наша микроэлектронная технология сумела загнать машины, столь же мощные, как компьютеры размером в комнату в началае 1950-ых, в несколько кремниевых чипов в карманном компьютере. Инженеры теперь делают устройства меньшие, чем когда-либо, раскидывая группы атомов по поверхности кристалла так, чтобы образовывались связи и компоненты в одну десятую толщины тончайшего волоса.

Эти микросхемы могут считаться маленькими в стандартах тесальщиков кремня, но каждый транзистор все еще ещё содержит триллионы атомов, и так называемые "микрокомпьютеры" все еще ещё видимы невооружённым глазом. По стандартам более новой, более мощной технологии они будут выглядеть гигантскими.

Древний стиль технологии, который можно проследить от чипов кремня до кремниевых чипов, обращается с атомами и молекулами в больших совокупностях; назовём это балк-технологией (bulk - оптовый)[2]. Новая технология будет манипулировать индивидуальными атомами и молекулами, под контролем и прецизионновысокоточно, - назовём такую технологию молекулярной. Она изменит наш мир в большем количестве областей, чем мы можем вообразить.

Микросхемы имеют частидетали, измеряемые в микрометрах, то есть в миллионных долях метра, но молекулы измеряются в нанометрах (в тысячу раз меньше). Мы можем использовать термины "нанотехнология" и "молекулярная технология" взаимозаменяемо для описанияобозначения этого нового вида технологии. Разработчики новой технологии будут строить и наносхемы, и наномашины.

Молекулярная технология сегодня

Одно из определений машины по словарю -– это "любая система, обычно из твердых частей, сформированных и связанных так, чтобы изменять, передавать и направлять используемые силы определенным способом для достижения определенной цели, такой как выполнение полезной работы". Молекулярные машины подходят под это определение вполне хорошо.

ЧтобыДля того чтобы представить себе эти машины, нужно сначала дать наглядное представление о молекулах. Мы можем изобразить атомы как бусинки, а молекулы как группы бусинок, подобно детским бусам, соединённым кусочками нитки. И нНа самом деле, химики иногда представляют молекулы наглядно, строя модели из пластмассовых бусинок (некоторые из которых связаны в нескольких направлениях чем-то, подобным спицам в наборе «Tinkertoy»). Атомы имеют круглую форму подобно бусинам, и хотя молекулярные связи - не кусочки нитки, наша картинка, как минимум, даёт важное представление о том, что связи могут быть порваны и восстановлены.

Если бы атом был бы размером с маленький мраморный шарик, то довольно сложная молекула была бы размером с кулак. Это даёт полезный мысленный образ, но на самом деле размер атома - около 1/10.000 размера бактерии, а размер бактерии - около 1/10.000 размера комара. (Размер ядра атома, однако, составляет около 1/100.000 размера самого атома. Заметим, что; разница между атомом и ядром - это разница между огнем и ядерной реакцией).

Вещи вокруг нас действуют так как они действуют в зависимости от того, как ведут себя их молекулы. Воздух не держит ни форму, ни объем, потому что молекулы двигаются свободно, сталкиваясь и отскакивая рикошетом в открытом пространстве. Молекулы воды держатся вместе в процессе перемещения, поэтому вода сохраняет постоянный объём в процессе изменения своей формы. Медь сохраняет свою форму, потому что её атомы связаны друг с другом в определённую структуру; мы можем согнуть её или ковать её, потому что её атомы скользят друг относительно друга, оставаясь при этом связанными вместе. Стекло разбивается, когда мы ударяем по нему молотком, потому что его атомы отделяются друг от друга раньше, чем начинают скользить. Резина состоит из цепочек перекрученных молекул, подобно клубку веревок. Когда её растягивают и отпускают, её молекулы распрямляются и сворачиваются опять. Эти Такие простые молекулярные схемы образуют пассивные вещества. Более сложные схемы образуют активные наномашины - живых живые клетокклетки.

Биохимики уже работают с этими машинами, которые в основном состоят из белка - основного строительного материала живых клеток. Эти Такие молекулярные машины имеют относительно немного атомов, и они имеют бугорчатую поверхность, подобно объектам, сделанным склеиванием вместе горстки мраморных шариков. Также многие пары атомов связаны связями, которые могут сгибаться и вращаться, поэтому белковые машины необычно гибки. Но Однако, подобно всем машинам, они имеют частидетали различной формы и размеров, которые выполняют полезную работу. Все машины используют группы атомов в качестве своих частей. Просто белковые машины используют очень маленькие группы.

Биохимики мечтают о проектировании и создании таких устройств как белковые машины, но есть трудности, которые ещё необходимо преодолеть. Инженеры используют лучи света, чтобыдля того чтобы наносить схемы на кремниевые чипы, но химики вынуждены использовать намного более сложные методы, чем этот. Во-первых, кКогда они комбинируют молекулы в различных последовательностях, у них есть весьма ограниченный контроль над тем, как молекулы соединяются. Во-вторых, когда Когда биохимикам нужны сложные молекулярные машины, они по-прежнему должны заимствовать их из клеток. Однако в будущем, продвинутые молекулярные машины, в конечном счете, позволят им строить наносхемы или наномашины так же просто и непосредственно, как сейчас инженеры строят микросхемы и моечные машины. После этого прогресс станет впечатляюще стремительным.

Генные инженеры уже показывают нам этот путь. Обычно, когда химики делают молекулярные цепи, называемые "полимерами", - они сваливают молекулы в сосуд, где они в жидкости сталкиваются и связываются случайным образом. Появляющиеся в результате цепи имеют различные длины, а молекулы связываются без какого-либо определённого порядка.

Но в современных машинах генного синтеза генные инженеры строят более организованные полимеры - специфические молекулы ДНК, соединяя молекулы в определённом порядке. Эти Такие молекулы - нуклеотиды ДНК («буквы» генетического «алфавита»), и генные инженеры не сваливают их все вместе как это делается для производства полимеров. Вместо этого они заставляют машины добавлять различные нуклеотиды в определённой последовательности, чтобы составить определённую «фразу». Вначале они связывают один тип нуклеотидов с концом цепи, потом они вымывают лишний материал и добавляют химические вещества, чтобы подготовить конец цепи к связыванию со следующим нуклеотидом. Они растят цепи, нанизывая нуклеотиды по одному за раз в строго запрограммированном порядке. Они прицепляют самый первый нуклеотид в каждой цепи к твёрдой поверхности, чтобы удержать цепь от размывания химической средой, в которой она находится. Таким образом, они заставляют большую неуклюжую машину собирать определённые молекулярные структуры из частей, которые в сотни миллионов раз меньше, чем она сама.

Но этот слепой и неуклюжий процесс сборки случайно пропускает в некоторых цепях нуклеотиды. Вероятность ошибок растет, поскольку цепи становятся более длинными. Подобно рабочим, откладывающим в сторону плохие частидетали перед сборкой автомобиля, генные инженеры уменьшают ошибки, отбраковывая плохие цепи. Далее, чтобыдля того чтобы соединить эти короткие цепи в работающие гены (обычно длиной в тысячи нуклеотидов), они обращаются к готовым молекулярным машинам, имеющимся в бактериях.

Эти белковые машины, называемые ферментами ограничения, интерпретируют некоторые последовательности ДНК как команду "резать здесь". Они считывают эти участки гена контактно, прилипая к ним, и они разрезают цепь, меняя порядок нескольких атомов. Другие ферменты соединяют части вместе, "читая" соответствующие части как "склеить здесь", они, аналогично, "читают" цепи выборочным прилипанием и соединяют их, изменяя порядок нескольких атомов. Используя генные машины для чтения, а ферменты – для ограничения для разрезания и склеивания, генные инженеры могут написать и отредактировать любую «фразу» ДНК, которую захотят.

Но сама по себе ДНК - довольно бесполезная молекула. Она не является прочной как кевлар, не обладает цветом как красители, не активна подобно ферменту. И, все всё же она имеет нечто такое, что промышленность готова тратить миллионы долларов, чтобы это использовать, - она имеет способность направить молекулярные машины, называемые рибосомами. В клетках молекулярные машины вначале производят транскрипцию ДНК, копируя её информацию с неё на "ленты" РНК. Далее, подобно старым машинам, управляемым цифровым кодом, записанным на ленте, рибосомы строят белки, основываясь на инструкциях, хранящихся на нитках РНК. А уже построенные белки полезны.

Белки, подобно ДНК, походят на бугорчатые нити бусинок. Но в отличие от ДНК, молекулы белка могут сворачиваются, чтобы образовывать маленькие объекты, способные что-то делать. Некоторые белки - ферменты, - это машины, которые создают и разрушают молекулы (а также копируют ДНК, расшифровывают их и строят другие белки в этом же жизненном цикле). Другие белки - гормоны, связывающиеся с другими белками, чтобы давать сигналы клеткам изменять своё поведение. Генные инженеры могут производить эти объекты с небольшими затратами, направляя дешёвые и эффективные молекулярные машины внутрь живых организмов для выполнения этой работы. В то время как инженеры, управляющие химическим заводом, должны работать с цистернами реагирующих химических веществ (которые часто приводят атомы в беспорядок и выделяют вредные побочные продукты), инженеры, работающие с бактериями, могут заставлять их абсорбировать химические вещества, аккуратно изменяя порядок атомов, и сохранять продукт или высвобождать его в окружающую жидкость вокруг них.

Генные инженеры сейчас запрограммировали бактерии делать белки, - от человеческого гормона роста до ренина, фермента, используемого при создании сыра. Фармацевтическая компания «Eli Lilly» (Индианаполис) сейчас продвигает на рынок Хьюмулин, молекулы инсулина человека, произведённые бактериями.

Существующие бБелковые машины в природе

Эти гГормоны белка и ферменты выборочно прилипают к другим молекулам. Фермент изменяет структуру цепи, затем идёт дальше; гормон воздействует на поведение цепи только пока оба остаются связанными вместе. Ферменты и гормоны могут, в конечном счёте, быть описаны в терминах механики, но их поведение лучше описывается в химическихей терминах.

Но другие белки выполняют и простые механические функции. Некоторые тянут и толкают, некоторые действуют как шнуры или распорки, и части некоторых молекул являются превосходными подпорками. Механизм мускула, например, имеет наборы белков, которые захватывают "веревку" (также сделанную из белка), тащат её, потом отходят, чтобыдля того чтобы захватить новую; во всех случаях, когда вы двигаетесь, вы используете эти машины. Амёбы и человеческие клетки двигаются и изменяют форму, используя волокна и палочки, которые действуют как мускулы и кости молекул. Реверсивный, с изменяемой скоростью двигатель толкает бактерию в воде, поворачивая молекулярные пропеллеры в форме спирали. Если любитель бы мог построить миниатюрные автомобильчики вокруг такого двигателя, несколько миллиардов миллиардов помещались бы в карман, а через ваш самый тонкий капилляр могла поместилась бы быть построена 150-полосная магистраль.

Простые молекулярные устройства комбинируются для формирования системы, похожей на промышленные машины. В 1950-ых инженеры разрабатывали станки, которые режут металл под контролем перфорированной бумажной ленты. Полтора столетия ранее Джозеф-Мэри Жаккард построил ткацкий станок, который ткал сложные рисунки под контролем последовательности перфорированных карт. Однако более трёх миллиардов лет до Жаккарда, клетки разработали механизм рибосомы. Рибосомы доказали, что наномашины, построенные из белка и РНК, могут быть запрограммироваться запрограммированы на построение сложных молекул.

Теперь рассмотрим вирусы. Один вид, T4 phage, действует подобно шприцу с пружиной и напоминает что-нечто из промышленного каталога запчастей. Он может прилепляться к бактерии, пробивать отверстие и вводить вирусный ДНК (да, даже бактерии страдают заразными болезнями). Подобно всем организмам, эти вирусы существуют потому, что они довольно стабильны и хорошо умеют делать свои копии себя.

В клетках или нет, наномашины подчиняются универсальным законам природы. Обычные химические связи держат их атомы вместе, и обычные химические реакции (управляемые другими наномашинами) их собирают. Молекулы белка могут даже соединяться для образования машин без специальной помощи, движимые только тепловым возбуждением и химическими силами. Перемешивая вирусные белки (и ДНК, которые они обслуживают) в испытательной пробирке, молекулярные биологи собирали работающие вирусы T4. Это Такое умение удивительно: представьте себе, что вы складываете частидетали автомобиля в большую коробку, встряхиваете её, и когда заглядываете внутрь - обнаруживаете там собранный автомобиль! Однако этот вирус Т4 - только один из многих самособирающихся структур. Молекулярные биологи разобрали механизм рибосомы на пятьдесят отдельных белков и молекул РНК и потом поместили их в испытательную пробирку, и – и так они образовали работающую рибосому снова.

ЧтобыДля того чтобы видеть, как это получается, вообразите различные цепи белков T4, плавающие в воде. Каждый вид белка сворачивается и образует кусок со специфическими для него выпуклостями и впадинами, покрытый характерными наборами из молекул жира, воды и электрическим зарядом. Представьте их себе гуляющими свободно и поворачивающими, толкаясь от температурных вибраций окружающих молекул воды. Время от времени их пары ударяются, потом расходятся. Иногда пара соударяется так, что выпуклости одного подходят под впадины другого и – если клейкие участки соответствуют друг другу; тогда они притягиваются друг к другу и прилипают. Таким образом, белок добавляется к другому белку и образует части вируса, а эти части собираются и образуют целое.

Инженеры по белкам не будут нуждаться в наноманипуляторах и нанорычагах, чтобы собирать сложные наномашины. Однако крошечные манипуляторы будут полезны, и они будут построены. Точно так же, как сегодняшние инженеры строят такие сложные машины как рояли и манипуляторы робота из обычных моторов, подшипников и движущихся частей, завтрашние биохимики будут способны использовать молекулы белка как двигатели, подшипники и движущиеся частидетали, чтобы строить манипуляторы роботов, которые сами будут способны манипулировать отдельными молекулами.

Конструирование с помощью белка

Насколько далека от нас такая данная способность? Некоторые шаги уже сделаны, но остаётся ещё много работы. Биохимики уже нанесли составили на картуы структуры многих белков. С помощью механизмов гена, дающих возможность записывать ленты ДНК, они могут направить клетки на строительство любого белка, они могут разработать цепи, которые будут сворачиваться в белки нужной формы и с требуемыми функциями. Силы, которые сворачивают белки, слабы, а число возможных способов, которыми белок может свернуться - астрономическое, поэтому составить разработать большие белки с самого начала непросто.

Силы, которые удерживаютщие белки вместе, чтобы для образовать образования сложные сложных машины, - те же самые, которые вначале сворачивают цепи белков. Отличающиеся формы и виды прилипания аминокислот - бугорчатые молекулярные "бусинки", которые формирующие формируют цепи белков, - заставляют каждую цепь белка сворачиваться особым образом и образовыватья объект определённой формы. Биохимики изучили правила, которые дают понятие о том, как цепочка аминокислот может сворачиваться, но эти правила не очень твёрдыежёсткие. Попытка предсказать, как цепь будет сворачиваться, подобна попытке разгадать кроссворд. Н, но этот кроссворд без не имеет пропечатанной формы, которая бы позволяла бы определить, правилен ли ответ. Это кроссворд, и с частями, которые могут соответствовать друг другу почти так же хорошо (или плохо) многими различными способами, но все кроме одного из них - неправильные. Неправильное начало может занять большую часть времени жизни, а правильный ответ так и не будет распознан. Биохимики, используя лучшие компьютерные программы, имеющиеся на сегодняшний день, всё же не могут предсказывать, как длинный естественный белок будет на самом деле сворачиваться, и некоторые из них уже отчаялись научитьсяпотеряли надежду разрабатывать молекулы белка в ближайшем будущем.

Однако большинство биохимиков работают как ученые, а не как инженеры. Они работают над возможностью предсказыватьанием, как будут сворачиваться естественные белки, а не над проектированием белков, которые будут предсказуемо сворачиваться. Эти Такие задачи могут выглядетькажутся подобными, но они очень отличаются: первая - задача научная, вторая - конструкторская. Почему естественные белки сворачиваются таким образомтак, что, который учёные могут находят лёгким дляэто предсказаниять? Ведь всё, что природа требует, - это чтобы они на самом деле сворачивались правильно, а не чтобы они сворачивались способом, очевидным для людей.

Можно было бы разрабатывать белки с нуля, с темтем, чтобы сделать их сворачивание более предсказуемым. Карл Пабо, пишущий вавтор журнале журнала «Nаture» (Природа), предложил стратегию разработки, основанную на этом понимании этого, и некоторые биохимические инженеры разработали и построили короткие цепи из нескольких десятков кусочков. Эти , которые цепи 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. К, и как писал Фредерик Блаттнер в журнале Science, "программы по игре в шахматы уже достигли уровня примерно мастера международного класса. Возможно, решение проблемы свёртывания белков ближе, чем мы думаем". Вильям Растеттер Растеттер из Genentech спрашивал на страницахпишет в "Прикладную Прикладной биохимию биохимии и биотехнологиюбиотехнологии" и спрашивает: "Как далеко от нас отстоит разработка и синтез ферментов с нуля? Десять, пятнадцать лет?" Он И 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 быть 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, рекомендовало поддержку фундаментальных исследований, нацеленных на разработку молекулярных компьютеров. Япония, по сообщениям, начала программу на многостоимостью много миллионов долларов, которая имеющую имеет целью разработку самособирающихся молекулярных двигателей и компьютеров, а корпорация VLSI Research Inc. Сана Джоуза, сообщила, что "Похоже, что погоня за биочипами[3] [ещё один термин для молекулярных электронных систем] уже началась. NEC, Hitachi, Toshiba, Matsushita, Fujitsu, Sanyo-Denki и Sharp уже предприняли полномасштабные исследовательские усилия по биочипам для биокомпьютеров."

Биохимики имеют и другие причины хотеть для освоить освоения искусство искусства 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),, что эта дорога ведёт "к более общей возможности для молекулярного инжиниринга, который бы позволил нам структурировать материю атом за атомом".

Второе поколение Нанотехнологии

Несмотря на универсальность, белок имеет недостатки как технический материал. Белковые машины перестают функционировать при высушивании, замерзают при охлаждении и реструктурируются (свариваются) при нагревании. Мы не строим машины из плоти, волос и желатина; за многие 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.

Из за большого объема этот материал размещен на нескольких страницах:
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22