Биохимики мечтают о проектировании и создании таких устройств, но есть трудности, которые ещё необходимо преодолеть. Инженеры используют лучи света, чтобы наносить схемы на кремниевые чипы, но химики вынуждены использовать намного более косвенные методы, чем этот. Когда они комбинируют молекулы в различных последовательностях, у них есть только ограненный контроль над тем, как молекулы соединяются. Когда биохимикам нужны сложные молекулярные машины, они все еще должны заимствовать их из клеток. Однако, продвинутые молекулярные машины в конечном счете позволят им строить наносхемы или наномашины также просто и непосредственно, как сейчас инженеры строят микросхемы и моечные машины. После этого прогресс станет впечатляюще стремительным.
Генные инженеры уже показывают 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 молекулы – нуклеотиды ДНК (буквы генетического алфавита) и генные инженеры не сваливают их все вместе. 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 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 процесс сборки случайно пропускает в некоторых цепях нуклеотиды. Вероятность ошибок растет, поскольку цепи становятся более длинными. Подобно рабочим, откладывающим в сторону плохие части перед сборкой автомобиля, генные инженеры уменьшают ошибки, отбраковывая плохие цепи. Далее, чтобы соединить эти короткие цепи в работающие гены (обычно длиной в тысячи нуклеотидов), они обращаются к молекулярным машинам, имеющимся в бактериях.
Эти белковые машины, называемые ферментами ограничения, интерпретируют некоторые последовательности ДНК как "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", аналогично «читают» цепи выборочным прилипанием и соединяют их, изменяя порядок нескольких атомов. Используя генные машины для чтения, а ферменты 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 ни прочтена как Kevlar, ни обладает цветом как красители, ни активна подобно ферменту, все же она имеет кое-что, что промышленность готова тратить миллионы долларов, чтобы это использовать: способность направить молекулярные машины, называемые рибосомами. В клетках молекулярные машины вначале производят транскрипцию ДНК, копируя 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 белки полезны.
Белки, подобно ДНК, походят на бугорчатые нити бусинок. Но в отличие от ДНК, молекулы белка сворачиваются, чтобы образовывать маленькие объекты, способные что-то делать. Некоторые – ферменты, 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 жидкость вокруг них.
Генные инженеры сейчас запрограммировали бактерии делать белки, от человеческого гормона роста до ренина, фермента, используемый в создании сыра. Фармацевтическая компания Eli Lilly (Индианаполис) – сейчас продвигает на рынок Хьюмулин, молекулы инсулина человека, произведённые бактериями.
Эти гормоны белка и ферменты выборочно прилипают к другим молекулам. Фермент изменяет структуру цели, затем идёт дальше; гормон воздействует на поведение цели только пока оба остаются связанными вместе. Ферменты и гормоны могут быть описаны в терминах механики, но их поведение лучше описывается в химических терминах.
Но другие белки выполняют простые механические функции. Некоторые тянут и толкают, некоторые действуют как шнуры или распорки, и части некоторых молекул являются превосходными подпорками. Механизм мускула, например, имеют наборы белков, которые достигают, захватывают «веревку» (также сделанную из белка), тащат её, потом отходят, 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 пропеллеры формы 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 бы быть построена 150-полосная магистраль.
Простые молекулярные устройства комбинируются для формирования системы, походящей на промышленные машины. В 1950-ых инженеры разрабатывали станки, которые режут металл под контролем перфорированной бумажной ленты. Полтора столетия ранее, Джозеф-Мэри Джакквард построил ткацкий станок, который ткал сложные рисунки под контролем последовательности перфорированных карт. Однако более трёх миллиардов до Джаккварда, клетки разработали механизм рибосомы. Рибосомы доказали, что наномашины, построенные из белка и РНК, могут запрограммироваться на построение сложных молекул.
Теперь рассмотрим вирусы. Один вид, T4 phage, действует подобно шприцу с пружиной и напоминает что-то 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 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 вирусу T4. Это умение удивительно: представьте себе, что вы складываете части 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 они образоавли работающую рибосому снова.