Друге покоління Нанотехнології

Як тільки нанотехнологія рушить далі використання білків, вона буде ставати більш звичайною з погляду інженера. Молекули будуть збиратися подібно компонентам набору монтажника, а добре пов'язані частини залишатимуться на своїх місцях. Так само як звичайні інструменти будують звичайні машини з частин, так само і молекулярні інструменти будуть пов'язувати молекули так, щоб утворювати крихітні двигуни, мотори, важелі, обшивки і збирати їх в складні машини.

Частини, що містять тільки кілька атомів, будуть горбистими, але інженери можуть працювати з горбистими частинами, якщо вони мають гладкі підпори, їх підтримують. Досить зручно, деякі зв'язки між атомами роблять прекрасні підпори; частина може бути встановлена у вигляді єдиною хімічного зв'язку, яка дозволятиме повертати її вільно і плавно. Так як підпора може бути зроблена з використанням тільки двох атомів (і оскільки для рухомих частин потрібно лише кілька атомів), наномашини можуть насправді мати механічні компоненти розміру молекули.

Як ці вдосконалені машини будуть побудовані? За ці роки інженери використовували технологію, щоб поліпшити технологію. Вони використовували металеві інструменти, щоб оформляти метал в кращі інструменти, і комп'ютери, щоб проектувати і програмувати кращі комп'ютери. Вони будуть аналогічно використовувати білкові наномашини, щоб будувати кращі наномашини. Ферменти вказують шлях: вони збирають великі молекули, "вихоплюючи" маленькі молекули з води, в якій вони перебувають, і утримують їх разом так, що утворюються зв'язку. Ферменти збирають цим способом ДНК, РНК, білки, жири, гормони і хлорофіл - насправді, практично весь спектр молекул, які виявляються в живих організмах.

Далі інженери-біохіміки будуватимуть нові ферменти, щоб зібрати нові структури атомів. Наприклад, вони могли б робити ферментоподібну машину, яка буде приєднувати вуглецеві атоми до маленького цятки, шар на шар. Будучи правильно пов'язані, атоми будуть нарощуватися і формувати прекрасне, гнучке алмазне волокно, більш ніж у п'ятдесят разів міцніше, ніж алюміній того ж ваги. Аерокосмічні компанії будуть вибудовуватися в чергу, щоб купувати таке волокно тоннами, щоб робити деталі з поліпшеними характеристиками (це показує тільки одну маленьку причину, чому конкуренція у військовій сфері буде рухати молекулярну технологію вперед, як вона рухала багато сфер в минулому).

Але дійсно великий прогрес буде тоді, коли білкові машини будуть здатні робити структури більш складні, ніж прості волокна. Ці програмовані білкові машини будуть схожими на рибосоми, програмовані РНК, або старе покоління автоматизованих верстатів, програмований перфорованими стрічками. Вони відкриють новий світ можливостей, дозволяючи інженерам уникнути обмеження білків для побудови міцних компактних машин прямим проектуванням.

Проектовані білки розщеплюватимуть і з'єднувати молекули, як це роблять ферменти. Існуючі білки пов'язують безліч менших молекул, використовуючи їх як хімічні інструменти; заново проектовані білки будуть використовувати всі ці інструменти тощо.

Далі, органічні хіміки показали, що хімічні реакції можуть приносити чудові результати, розставляючи молекули по потрібних місцях навіть без наномашин. Хіміки не мають ніякого прямого контролю над пустотливими рухами молекул в рідині, тому молекули вільні реагувати будь-яким чином, яким вони можуть, залежно від того, як вони стикаються. Однак хіміки проте домагаються, щоб реагуючі молекули утворювали правильні структури, такі як кубічні або дванадцятигранні молекули, і утворювати структури, що виглядають неймовірно, такі як молекулярні кільця з високонапруженними зв'язками. Молекулярні машини будуть мати ще більшу нестійкість в утворенні зв'язків, тому що вони можуть використовувати подібні молекулярні руху для утворення зв'язків, але вони можуть виконувати ці рухи такими способами, якими не можуть хіміки.

Дійсно, оскільки хіміки ще не можуть направити молекулярні рухи, вони рідко здатні збирати складні молекули відповідно до певними планами. Найбільші молекули, які вони можуть робити з певними складними структурами, - це лінійні ланцюга. Хіміки формують ці структури (як у механізмах гена), додаючи молекули по одній послідовно до зростаючої ланцюга. Тільки з одним можливим ділянкою зв'язування в ланцюзі вони можуть бути впевнені, що додали наступну частину в правильному місці.

Але якщо округлена, горбиста молекула має, скажімо, сотню водневих атомів на своїй поверхні, як хіміки можуть відколоти тільки один специфічний атом (5 атомів вгору і 3 атома по діагоналі спереду на опуклості), щоб додати щось на його місце? Змішування разом простих хімікалій рідко зробить цю роботу, оскільки маленькі молекули рідко можуть вибрати специфічні місця, з якими треба реагувати у великих молекулах. Але протеїнові машини будуть більш виборчими.

Гнучка, програмована білкова машина схопить велику молекулу (об'єкт роботи), в той час як маленька молекула буде встановлена саме навпроти правильного місця. Подібно ферменту, вона тоді вона зв'яже молекули разом. Прив'язуючи молекулу за молекулою до збираюся шматку, машина буде збирати все більшу і більшу структуру, в той час як буде зберігатися повний контроль над тим, як його атоми впорядковані. Це є ключове вміння, яким не володіють хіміки.

Подібно рибосомам, такі наномашини можуть працювати під управлінням молекулярних стрічок. На відміну від рибосом, вони будуть мати справу з широким розмаїттям маленьких молекул (не тільки амінокислот) і приєднувати їх до збираюся об'єкту не тільки в кінці ланцюга, але і в будь-якому бажаному місці. Білкові машини, таким чином, об'єднають розщеплюють і склеюючі здатності ферментів з можливістю програмування рибосом. Але в той час як рибосоми можуть будувати тільки нещільні складки білка, ці білкові машини будуть будувати маленькі, тверді об'єкти з металу, кераміки або алмазу - невидимо маленькі, але міцні.

Так як наші пальці з плоті схильні до забоїв або опіків, ми звертаємося до сталевих кліщів. Там, де білкові машини, ймовірно, можуть бути зруйновані або розпадуться, ми звернемося до наномашини, зробленим з більш жорсткого матеріалу.

Поиск по сайту: