Второе поколение Нанотехнологии

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 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.

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. Так же как обычные инструменты строят обычные машины из частей, так же и 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 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 удерживают их вместе так, что образуются связи. Ферменты собирают этим способом ДНК, РНК, белки, жиры, гормоны и хлорофилл - 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 ферментоподобную 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 чем в пятьдесят раз прочнее, 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 большой прогресс будет тогда, 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 т.д.

Далее, органические химики показали, что химические реакции могут приносить замечательные результаты, расставляя молекулы по нужным местам даже без наномашин. 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. 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 последовательно 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 над тем, как его атомы упорядочены. Это есть ключевое умение, которым не обладают химики.

Подобно рибосомам, такие 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 складки белка, эти белковые машины будут строить маленькие, твердые объекты из металла, керамики или алмаза - невидимо маленькие, но прочные.

Так как наши пальцы из плоти подвержены ушибам или ожогам, мы обращаемся к стальным клещам. Там, где белковые машины, вероятно, могут быть разрушены или распадутся, мы обратимся к наномашинам, сделанным из более жесткого материала.

Универсальные ассемблеры

Это второе поколение наномашин, построенных не просто из белков, они будут делать все, что могут делать белки, 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, ферментоподобные 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. На этом этапе кажется разумным отступить назад и посмотреть настолько внимательно, насколько это возможно, чтобы 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?

Кроме всего прочего этот принцип говорит о том, что невозможно определить точное местоположение частицы в течение любого отрезка времени. Это ограничивает то, что могут делать молекулярные машины, равно как и 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 можно размещать на свои места, 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 доказать эти заключения, поскольку молекулярные машины в клетке демонстрируют то, 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), которые проверяют копию и исправляют ошибки. Для ассемблеров вполне может быть необходимы 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. Они представляют собой простое и мощное доказательство того, что законы природы позволяют маленьким группам атомов вести себя как управляемые машины, способные строить другие наномашины. Однако вопреки тому, что они в основе напоминают рибосомы, ассемблеры будут отличаться от всего, что находится в клетках; хотя они состоят в обычных движениях молекул и реакциях, то, что они делают, будет иметь новые результаты. Например, ни одна клетка не производит алмазного волокна.

Мысль, что новые виды наномашин дадут новые полезные способности, может казаться потрясающей: за все миллиарды лет развития жизнь в основе всегда полагалась только на белковые машины. Но говорит ли это о том, что усовершенствования были невозможны? Эволюция идёт небольшими изменениями, и эволюция ДНК не может легко заменить ДНК. Так как система ДНК-РНК-рибосома специализирована для построения белков, жизнь не имела никакой реальной возможности развить альтернативный вариант. Любой производственный менеджер хорошо может оценить причины этого; жизнь - больше чем фабрика, она не может себе позволить прекратить деятельность, чтобы заменить свои системы на новые.

Улучшенные молекулярные машины должны нас удивлять не больше, чем сплав стали, который в десять раз прочнее кости, или медные провода, передающие сигналы в миллион раз быстрее нервов. Автомобили обгоняют гепардов, реактивные самолеты летают быстрее соколов, и компьютеры уже считают быстрее самых талантливых из людей. Будущее даст новые примеры улучшений в биологической эволюции, из которых второе поколение наномашин будет лишь одним.

В физических терминах, достаточно ясно, почему усовершенствованные ассемблеры будут способны делать больше, чем существующие белковые машины. Они будут программироваться подобно рибосомам, но они будут способны использовать более широкий диапазон инструментов, чем все ферменты в клетке вместе взятые. Поскольку они будут сделаны из материалов, намного более прочных, твёрдых и устойчивых, чем белки, они будут способны развивать большие мощности, двигаться с большей точностью и выносить более суровые условия. Подобно промышленным манипуляторам, но в отличие от чего-либо в живой клетке, они будут способны вращаться и двигать молекулы в трёх измерениях под программным управлением, делая возможным точную сборку сложных объектов. Эти преимущества будут давать им возможность собирать намного более широкий спектр молекулярных структур, чем это делали живые клетки.

Не имеет ли жизнь в себе нечто особое сверхъестественное, без чего молекулярные машины не будут работать?

Можно было бы сомневаться, что искусственные наномашины могли бы даже приблизиться к способностям наномашин в клетке, если бы была причина думать, что в клетках есть нечто сверхъестественное, что заставляет их работать. Эта идея называется "витализм". Биологи отказались от неё, потому что они нашли химические и физические объяснения для каждого уже изученного аспекта живой клетки, включая движение, рост и воспроизводство. Действительно, это знание является самой основой биотехнологии.

Наномашины, плавающие в стерильных испытательных пробирках вне клеток, заставили выполнять все основные виды действий, которые они выполняют внутри живых клеток. Начиная с химических веществ, которые могут быть получены из дыма, биохимики построили работающие белковые машины без помощи клеток. Р.Б. Меррифилд, например, использовал химические приёмы для сборки простых аминокислот в рибонуклеазу поджелудочной железы бычка, комплекс ферментов, который разбирает на части молекулы РНК. Жизнь специфична по структуре, по поведению, а также по тому, что она чувствует изнутри по поводу того, что она жива, но законы природы, которые управляют механизмами жизни, также управляют всей остальной вселенной.

Доказательства реализуемости ассемблеров и других наномашин могут казаться обоснованным, но почему бы просто не подождать и не посмотреть, действительно ли они могут быть разработаны?

Чистое любопытство кажется достаточной причиной, чтобы исследовать возможности, открытые нанотехнологией, но есть более сильные причины. Эти достижения охватят мир в пределах от десяти до пятидесяти лет, то есть в пределах сроков жизни наших собственных или членов наших семей. Что более существенно, заключения следующей главы подсказывают, что политика "подождём-посмотрим" была бы слишком дорогой: она бы стоила миллионы жизней, и, возможно, жизни на Земле.

Является ли доказательство реализуемости нанотехнологии и ассемблеров достаточно обоснованным, чтобы быть принятым серьезно? По-видимому, это так, поскольку суть доказательства опирается на два известных факта науки и конструирования: (1) существующие молекулярные машины служат целому ряду простых функций, (2) части, служащие этим простым функциям, могут быть скомбинированы так, чтобы строить сложные машины. Поскольку химические реакции могут связывать атомы различным образом и поскольку молекулярные машины могут направлять химические реакции в соответствии с программными инструкциями, ассемблеры определённо реализуемы.

Нанокомпьютеры

Ассемблеры принесут одно крупное достижение очевидной и фундаментальной важности: инженеры будут их использовать, чтобы сократить размер и стоимость микросхем компьютера и ускорить их функционирование на много порядков.

С сегодняшней балк-технологией инженеры делают схемы на кремниевых чипах, обстреливая их атомами и фотонами, но схемы остаются плоскими, и неизбежны дефекты молекулярного масштаба. С ассемблерами, однако, инженеры будут строить схемы в трёх измерениях,с точностью до атома. Точные ограничения электронной технологии сегодня остаются неопределёнными, поскольку квантовое поведение электронов в сложных сетях крошечных структур представляет собой сложные проблемы, некоторые из них проистекают напрямую из принципа неопределённости. Но где бы ни были ограничения, однако, они будут достигнуты с помощью ассемблеров.

Самые быстрые компьютеры будут использовать электронные эффекты, но самые маленькие могут не использовать. Это может казаться странным, однако сущность вычисления не имеет никакого отношения к электронике. Цифровой компьютер - собрание выключателей, способных включать и выключать друг друга. Его переключатели начинают в одном положении (возможно, представляющем собой 2+2), далее переключают друг друга в новое положение (представляющем собой 4) и т.д. Такие схемы могут отображать почти всё что угодно. Инженеры строят компьютеры из крошечных электронных переключателей, связанных проводами, просто потому, что механические переключатели, связанные палочками или ниточками, были бы сегодня большими, медленными, ненадёжными и дорогими.

Идея относительно полностью механического компьютера вряд ли нова. В Англии в течение середины 1800-х Чарльз Бэббидж изобрел механический компьютер, построенный из медных механических частей; его сотрудница Августа Ада, графиня лавеласов, изобрела программирование компьютера. Бесконечное перепроектирование машины Бэббиджем, проблемы с правильным изготовлением, противодействие критиков, контролирующих бюджет (некоторые сомневались в самой полезности компьютеров!), объединились, чтобы воспрепятствовать завершению проекта.

В этой же традиции Дэнни Хиллис и Брайен Сильверман лаборатории Искусственного интеллекта Массачусетского Технологического института построили специализированный механический компьютер, умеющий играть в крестики-нолики. Длиной и шириной в несколько метров, полный вращающихся валов и подвижных рамок, который представляли состояние доски и стратегию игры, он сейчас стоит в Музее компьютеров в Бостоне. Он выглядит во многом подобно большой молекулярной модели из шариков и палочек, поскольку он построен из конструктора Тинкертой.

Медные механизмы и конструктор Тинкертой способствуют появлению больших, медленных компьютеров. Однако с компонентами шириной в несколько атомов, простой механический компьютер поместился бы в 1/100 кубического микрона, т.е. оказался бы во много миллиардов раз более компактным, чем сегодняшняя так называемая микроэлектроника. Даже с миллиардом байт памяти наномеханический компьютер мог бы поместиться в коробочку шириной один микрон, т.е. размером с бактерию. И был бы он быстрым! Хотя механические сигналы движутся примерно в 100 000 раз медленнее, чем электрические сигналы в сегодняшних машинах, им бы требовалось проходить лишь 1/1 000 000 расстояния, поэтому задержка оказалась бы меньше. Поэтому простой механический компьютер будет работать быстрее, чем супербыстрые электронные сегодня.

Электронные нанокомпьютеры, вероятно, будут в тысячи раз быстрее, чем электронные микрокомпьютеры, возможно, в сотни тысяч раз быстрее, если схема, предложенная Нобелевским лауреатом, физиком Ричардом Фейнманом, себя оправдает. Увеличенная скорость путём уменьшения размера - это старая история в электронике.