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, что связи могут быть порваны и восстановлены.

Если атом был бы размером маленького мраморного шарика, довольно сложная молекула была бы размером с кулак. Это даёт полезный мысленный образ, но на самом деле атомы около 1/10.000 размера бактерии, а бактерия – около 1/10.000 размера комара. (Ядро 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, из-за 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, основной строительный материал живых клеток. Эти молекулярные машины имеют относительно немного атомов, и так что 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 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.