Molecular Technology Today
One dictionarydefinition of a machine is "any system, usually of rigid bodies, formed and connected to alter, transmit, and direct applied forces in a predetermined manner to accomplish a specific objective, such as the performance of useful work." Molecular machines fit this definition quite well.
To imagine these machines, one must first picture molecules. We can picture atoms as beads and molecules as clumps of beads, like a child's beads linked by snaps. In fact, chemists do sometimes visualize molecules by building models from plastic beads (some of which link in several directions, like the hubs in a Tinkertoy set). Atoms are rounded like beads, and although molecular bonds are not snaps, our picture at least captures the essential notion that bonds can be broken and reformed.
If an atom were the size of a small marble, a fairly complexmoleculewould be the size of your fist. This makes a useful mental image, but atoms are really about 1/10,000 the size ofbacteria, and bacteria are about 1/10,000 the size of mosquitoes. (An atomicnucleus, however, is about 1/100,000 the size of the atom itself; the difference between an atom and its nucleus is the difference between a fire and a nuclear reaction.)
The things around us act as they do because of the way their molecules behave. Air holds neither its shape nor its volume because its molecules move freely, bumping and ricocheting through open space. Water molecules stick together as they move about, so water holds a constant volume as it changes shape. Copper holds its shape because its atoms stick together in regular patterns; we can bend it and hammer it because its atoms can slip over one another while remaining bound together. Glass shatters when we hammer it because its atoms separate before they slip. Rubber consists of networks of kinked molecules, like a tangle of springs. When stretched and released, its molecules straighten and then coil again. These simple molecular patterns make up passive substances. More complex patterns make up the active nanomachines of livingcells.
Biochemists already work with these machines, which are chiefly made of protein, the main engineering material of living cells. These molecular machines have relatively few atoms, and so they have lumpy surfaces, like objects made by gluing together a handful of small marbles. Also, many pairs of atoms are linked by bonds that can bend or rotate, and so protein machines are unusually flexible. But like all machines, they have parts of different shapes and sizes that do useful work. All machines use clumps of atoms as parts. Protein machines simply use very small clumps.
Biochemists dream of designing and building such devices, but there are difficulties to be overcome. Engineers use beams of light to project patterns onto silicon chips, but chemists must build much more indirectly than that. When they combine molecules in various sequences, they have only limited control over how the molecules join. When biochemists need complex molecular machines, they still have to borrow them from cells. Nevertheless, advanced molecular machines will eventually let them build nanocircuits and nanomachines as easily and directly as engineers now build microcircuits or washing machines. Then progress will become swift and dramatic.
Genetic engineers are already showing the way. Ordinarily, when chemists make molecular chains - called "polymers" - they dump molecules into a vessel where they bump and snap together haphazardly in a liquid. The resulting chains have varying lengths, and the molecules are strung together in no particular order.
But inmodern gene synthesis machines, genetic engineers build more orderly polymers - specificDNAmolecules - by combining molecules in a particular order. These molecules are the nucleotides of DNA (the letters of the genetic alphabet) and genetic engineers don't dump them all in together. Instead, they direct the machine to add different nucleotides in a particular sequence to spell out a particular message. They first bond one kind ofnucleotideto the chain ends, then wash away the leftover material and add chemicals to prepare the chain ends to bond the next nucleotide. They grow chains as they bond on nucleotides, one at a time, in a programmed sequence. They anchor the very first nucleotide in each chain to a solid surface to keep the chain from washing away with its chemical bathwater. In this way, they have a big clumsy machine in a cabinet assemble specific molecular structures from parts a hundred million times smaller than itself.
But this blind assembly process accidentally omits nucleotides from some chains. The likelihood of mistakes grows as chains grow longer. Like workers discarding bad parts before assembling a car, genetic engineers reduce errors by discarding bad chains. Then, to join these short chains into working genes (typically thousands of nucleotides long), they turn to molecular machines found in bacteria.
These protein machines, called restriction enzymes, "read" certain DNA sequences as "cut here." They read these genetic patterns by touch, by sticking to them, and they cut the chain by rearranging a few atoms. Otherenzymessplice pieces together, reading matching parts as "glue here" - likewise "reading" chains by selective stickiness and splicing chains by rearranging a few atoms. By using gene machines to write, and restriction enzymes to cut and paste, genetic engineers can write and edit whatever DNA messages they choose.
But by itself, DNA is a fairly worthless molecule. It is neither strong like Kevlar, nor colorful like a dye, nor active like an enzyme, yet it has something that industry is prepared to spend millions of dollars to use: the ability to direct molecular machines called ribosomes. In cells, molecular machines first transcribe DNA, copying its information to makeRNA"tapes." Then, much as old numerically controlled machines shape metal based on instructions stored on tape, ribosomes build proteins based on instructions stored on RNA strands. And proteins are useful.
Proteins, like DNA, resemble strings of lumpy beads. But unlike DNA, protein molecules fold up to form small objects able to do things. Some are enzymes, machines that build up and tear down molecules (and copy DNA, transcribe it, and build other proteins in the cycle of life). Other proteins are hormones, binding to yet other proteins to signal cells to change their behavior. Genetic engineers can produce these objects cheaply by directing the cheap and efficient molecular machinery inside living organisms to do the work. Whereas engineers running a chemical plant must work with vats of reacting chemicals (which often misarrange atoms and make noxious byproducts), engineers working with bacteria can make them absorb chemicals, carefully rearrange the atoms, and store a product or release it into the fluid around them.
Genetic engineers have now programmed bacteria to make proteins ranging from human growth hormone to rennin, an enzyme used in making cheese. The pharmaceutical companyEli Lilly(Indianapolis) is now marketing Humulin, human insulin molecules made by bacteria.
Nanocomputers
Assemblers will bring one breakthrough of obvious and basic importance: engineers will use them to shrink the size and cost of computer circuits and speed their operation by enormous factors. With today's bulk technology, engineers make patterns on silicon chips by throwing atoms and photons at them, but the patterns remain flat and molecular-scale flaws are unavoidable. With assemblers, however, engineers will build circuits in three dimensions, and build to atomic precision. The exact limits of electronic technology today remain uncertain because the quantum behavior of electrons in complex networks of tiny structures presents complex problems, some of them resulting directly from the uncertainty principle. Whatever the limits are, though, they will be reached with the help of assemblers. The fastest computers will use electronic effects, but the smallest may not. This may seem odd, yet the essence of computation has nothing to do with electronics. A digital computer is a collection of switches able to turn one another on and off. Its switches start in one pattern (perhaps representing 2 + 2), then switch one another into a new pattern (representing 4), and so on. Such patterns can represent almost anything. Engineers build computers from tiny electrical switches connected by wires simply because mechanical switches connected by rods or strings would be big, slow, unreliable, and expensive, today. The idea of a purely mechanical computer is scarcely new. In England during the mid-1800s, Charles Babbage invented a mechanical computer built of brass gears; his co-workerAugusta Ada, the Countess of Lovelace, invented computer programming. Babbage's endless redesigning of the machine, problems with accurate manufacturing, and opposition from budget-watching critics (some doubting the usefulness of computers!), combined to prevent its completion. In this tradition, Danny Hillis and Brian Silverman of theMIT Artificial Intelligence Laboratorybuilt a special-purpose mechanical computer able to play tic-tac-toe. Yards on a side, full of rotating shafts and movable frames that represent the state of the board and the strategy of the game, it now stands in theComputer Museum in Boston. It looks much like a large ball-and-stick molecular model, for it is built of Tinkertoys. Brass gears and Tinkertoys make for big, slow computers. With components a few atoms wide, though, a simple mechanical computer would fit within 1/100 of a cubic micron, many billions of times more compact than today's so-called microelectronics. Even witha billion bytes of storage, a nanomechanical computer could fit in a box a micron wide, about the size of a bacterium. And it would be fast. Althoughmechanical signalsmove about 100,000 times slower than the electrical signals in today's machines, they will need to travel only 1/1,000,000 as far, and thus will face less delay. So a mere mechanical computer will work faster than the electronic whirl-winds of today. Electronic nanocomputers will likely be thousands of times faster than electronic microcomputers - perhaps hundreds of thousands of times faster, ifa scheme proposed by Nobel Prize-winning physicist Richard Feynmanworks out. Increased speed through decreased size is an old story in electronics.
Молекулярная технология сегодня
Одно из определений машины по словарю - "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.
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. На 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 атом был бы размером с маленький мраморный шарик, 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; разница между атомом и ядром - это разница между огнем и ядерной реакцией).
Вещи вокруг нас действуют 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 простые молекулярные схемы образуют пассивные вещества. Более сложные схемы образуют активные наномашины живых клеток.
Биохимики уже работают с этими машинами, которые в основном состоят из белка - основного строительного материала живых клеток. Эти 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 подобно всем машинам, они имеют части 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, но есть трудности, которые ещё необходимо преодолеть. Инженеры используют лучи света, чтобы наносить схемы на кремниевые чипы, но химики вынуждены использовать намного более сложные методы, чем этот. Когда они комбинируют молекулы в различных последовательностях, у них есть ограниченный контроль над тем, как молекулы соединяются. Когда биохимикам нужны сложные молекулярные машины, они по-прежнему должны заимствовать их из клеток. Однако 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 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 не является прочной как кевлар, не обладает цветом как красители, не активна подобно ферменту, все же она имеет нечто такое, 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, используемого при создании сыра. Фармацевтическая компания Eli Lilly (Индианаполис) сейчас продвигает на рынок Хьюмулин, молекулы инсулина человека, произведённые бактериями.
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.
Unknown words.
Tissue - ткань
To chip - затачивать
Flint - кремний
Crude - грубый
Unruly herds – плохо управляемые группы
Ancestor- предок
Tograsp- брать
Axhead– наконечник для стрел
Pattern- рисунок
Stencil- трафарет
Topound- выковывать
Exquisitely- удивительно
Tosling- раскидывать
Gargantuan- гигантский
Bulk– большая совокупность
Interchangeably- взаимозаменяемо
Rigidbodies– твёрдые части
To alter – изменять
To transmit - передавать
Bead - бусинка
Clump - группа
Snap – кусочек нитки
Hub- спица
Essentialnotion– важное представление
Marble– мраморный шарик
Fist- кулак
Tobend- согнуть
To hammer - ковать
To shatter - разбиваться
Network - цепочка
To kink - перекручивать
Tangle of springs – клубок верёвок
To release - отпускать
To coil - сворачиваться
Living cells – живые клетки
Lumpy - бугорчатый
To glue - склеивать
Beam - луч
Indirectly – косвенно, непрямо
Swift - быстрый
Ordinarily - обычно
To dump - сваливать
Vessel - сосуд
Haphazardly – случайным образом
Strung - связаны
To anchor - прицеплять
Clumsy - неуклюжий
To assemble - собирать
To omit - пропускать
Likelihood - вероятность
To discard - откладывать
Restriction enzyme – фермент ограничения
Dye- краситель
Totranscribe– производить транскрипцию
Toresemble– походить
Whereas– в то время как
Vats- цистерны
Noxiousbyproducts– вредные побочные продукты
Toabsorb- абсорбировать
Fluid- жидкость
Rennin- ренин
Cords of struts – шнуры распорки
Gang - набор
Amoebas - амёбы
Fiber - волокно
Rod - палочка
Reversible - реверсивный
Corkscrew-shaped – в форме спирали
Hobbyist - любитель
To punch - перфорировать
Loom – ткацкий станок
Phage -
Syringe - шприц
Conqueror - завоеватель
To seize - хватать
Agitation – волнение, агитация
Viral - вирусный
Hollow - впадина
Plausible - возможный
To fold - свернуться
Jigsaw puzzle - кроссворд
To nestle - прилипать
To incorporate - встраивать
Reportedly– по сообщениям
Tocommence- предпринять
Novel- новый
Matter- материя
Versatility- универсальность
Flesh- плоть
Gelatin- желатин
Reliance- использование
Erector set – набор монтажника
Lever - рычаг
Casing - обшивка
Smooth - гладкий
To mount - установить
Diamond fiber – алмазное волокно
Composite - деталь
Mere - простой
Rugged - прочный
Tumbling - кувыркающийся
Nonetheless– тем не менее
Tocoax- добиваться
Dodecahedral– двенадцатигранный
Tostir- смешивать
Tolack– не хватать
To bruise - ушибить
Tongs - щипцы
To tolerate - терпеть
Profound - глубокий
Crude - грубый
To permit - позволять
Computation– вычислительные технологии
Prospect– вид, перспектива
Futurologicalmirage– футурологический мираж
Topin- определить
Fuzzy- расплывчатый
Toproofread- проверять
Todisrupt- разрушать
Torender– оказывать, исполнять
Startling- потрясающий
Toabandon– покидать, отказываться
Toevolve- развиваться
Cheetah- гепард
Falcon- сокол
Stiff– жесткий, негибкий
Toexert- оказывать
Toendure– выносить, терпеть
Harsh– резкий, суровый
Artificial- искусственный
Bovinepancreaticribonuclease– рибонуклеаза поджелудочной железы бычка
Feasibility- реализуемость
Firm- обоснованный
Sheer- чистый
Obvious- очевидный
Toshrink- сократить
Enormous- огромный
Unavoidable- неизбежный
Odd- странный
Scarcely– вряд ли
Brassgears– медные механические части
Whirl-winds– супербыстрые
Tosynthesize- синтезировать
Oxidizers- окислители
Immune- невосприимчивый
Prying groups of atoms free – освобождая группы атомов
To hint – давать намёк
Inevitable - неизбежный
Reward- выигрыш
Toseek- искать
Upheavals- изменения