Чтобы видеть, как это случается, 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, хотя пара соударяется так, что выпуклости одного подходят под впадины другого и 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 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 также, 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 части, чтобы строить манипуляторы роботов, которые сами будут способны манипулировать отдельными молекулами.
Насколько далека от нас такая способность? Некоторые шаги уже сделаны, но остаётся ещё много работы. Биохимики уже нанесли на карту структуры многих белков. С помощью механизмов гена, дающими возможность записывать ленты ДНК, они могут направить клетки на строительство любого белка, они могут разработоать цепи, которые сворачиваться в белки нужной формы и с требуемыми функциями. Силы, которые сворачивают белки слабы, а число возможных способов, которыми белок может свернуться – астрономическое, поэтому разработка больших белков с самого начала непросто.
Силы, которые удерживают белки вместе, чтобы образовать сложные машины – те же самые, которые вначале сворачивают цепи белков. Отличающиеся формы и виды прилипания аминокислот – бугорчатые молекулярные «бусинки», формирующие цепи белков, заставляют каждую цепь белка сворачиваться особым образом и образовывать объект определённой формы. Биохимики изучили правила, которые дают поняти о том, как цепочка аминокислот может сворачиваться, но эти правила не очень твёрдые. Попытка предсказать как цепь будет сворачиваться подобна попытке разгадать кроссворд, но кроссворд без пропечатанной формы, которая бы позволяла определить, правилен ли ответ, и с частями, которые могут соответствовать друг другу почти также 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 научиться разрабатывать молекулы белка в ближайшем будущем.
Однако большинство биохимиков работает как ученые, а не как инженеры. Они работают возможностью предсказывать, как будут сворачиваться естественные белки, а не над проектированием белков, которые будут предсказуемо сворачиваться. Эти задачи могут выглядеть подобными, но они очень 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.