納米計(jì)算機(jī)與納米技術(shù)

1、第一部展望的基礎(chǔ)第一章建造的發(fā)動(dòng)機(jī)蛋白質(zhì)工程 允許我們一個(gè)原子一個(gè)原子地構(gòu)造物質(zhì)，代表了我們邁向具有更通用能力的分子工程的首要一步。 KEVIN ULMER（基因探索性研究公司董事長(zhǎng)）煤和鉆石，砂子和芯片，癌細(xì)胞和健康組織：縱觀歷史，原子排列的不同導(dǎo)致了便宜和貴重，疾病和健康的顯著區(qū)別。按一種形式排列，原子形成了土壤，空氣和水；按另一種形式排列，它們形成了草莓。按一種形式排列，它們形成了家園和新鮮空氣；按另一種形式排列，他們形成了煙霧和灰塵。我們排列組合原子的能力取決于我們的技術(shù)基礎(chǔ)。我們?cè)谠优帕械穆飞弦呀?jīng)走了很長(zhǎng)時(shí)間了，從砸石頭制作箭頭到加工鋁制作宇宙飛船。我們?yōu)槲覀兊木壬幒陀?jì)算機(jī)技術(shù)而

2、驕傲。但是我們的飛船還是很粗糙，我們的電腦還是很笨，我們身體組織里的分子還是會(huì)變得無(wú)序，先是摧毀健康，然后是生命本身。我們所有在排列原子方面的進(jìn)展仍然在使用原始的方法。我們現(xiàn)在的技術(shù)仍然是把原子作為雜亂的一大堆來(lái)操作。但是自然的法則為發(fā)展留出了足夠的空間，并且全球競(jìng)賽的壓力也促使我們快速向前，不論是好是壞，歷史上最偉大的技術(shù)突破正在到來(lái)！兩種類型的技術(shù)我們的現(xiàn)代技術(shù)建立在一個(gè)古老的傳統(tǒng)上。3 萬(wàn)年前，石片切削是當(dāng)時(shí)的高技術(shù)。我們的祖先手里抓著含有1024 個(gè)原子的石頭，去掉含有1021 個(gè)原子的碎片來(lái)制造他們的戰(zhàn)斧；他們使用的技巧現(xiàn)在都難以模仿。他們也能把手作為模板，用顏料在洞壁上畫畫。之后他

3、們用粘土燒制陶罐，然后是燒化礦石得到青銅，他們錘打青銅使之成型。他們煉出了鐵，然后是鋼，用加熱、鍛打、切削的方法使之成型。我們現(xiàn)在能燒制更純的陶瓷和強(qiáng)度更高的鋼，但是我們?nèi)匀皇褂缅懘?、切削等的方法?lái)使它們成型。我們煉制純硅，把它們切成薄片，用紫外線通過(guò)模板在它們的表面蝕刻圖案。我們把完成的產(chǎn)品叫做芯片并且認(rèn)為它們極其精細(xì)，至少和斧頭比起來(lái)是這樣。我們的微電子技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)使得計(jì)算機(jī)從1950 年代的塞滿整個(gè)房間的大家伙縮小到了可以放在口袋里的地步。工程師們現(xiàn)在正在制造更小的裝置，在晶體表面放置大量原子形成線路，寬度只有頭發(fā)絲的1/10。這些微電路按石片的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)說(shuō)可能算小，但是其每個(gè)晶體管仍然由

4、1012 個(gè)原子組成，所以所謂的微型電腦仍然是肉眼可見(jiàn)的，而按照更新的更有威力的技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看它們就象是巨人。把我們從石器時(shí)代領(lǐng)到硅芯片時(shí)代的舊形式的技術(shù)把原子和分子當(dāng)作一大堆來(lái)使用；稱作“體積技術(shù)” ，新形式的技術(shù)將精確地控制單個(gè)的原子和分子；稱作“分子技術(shù)”。它將在很多方面超出我們想象地改變我們的世界。微電路部分地用微米來(lái)度量就是說(shuō)一米的百萬(wàn)分之一，而分子要用納米來(lái)度量（再小1000 倍）。我們可以使用“納米技術(shù)”和“分子技術(shù)”來(lái)交替地描述這種新形式的技術(shù)。新技術(shù)工程師們將制造納米電路和納米機(jī)器。今日的分子技術(shù)在一本字典里這樣定義機(jī)器“一種系統(tǒng)，通常有剛性的主體，連接成型以便按預(yù)先定好的方

5、式改變、傳輸、引導(dǎo)力來(lái)實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)，諸如做有用的工作。”分子機(jī)器很適合此定義。要想象這樣的機(jī)器，你必須先有分子的形象。我們可以把原子想象為一個(gè)珠子而分子是一團(tuán)珠子，就像小孩玩的由按扣連起來(lái)的珠子。事實(shí)上，化學(xué)家們確實(shí)有時(shí)也用塑料球建造分子模型。原子是圓形的象球，雖然分子鍵并不是按扣，但我們的圖像至少抓住了分子鍵可以被打斷和重連接的基本概念。如果一個(gè)原子象一個(gè)小彈球那么大，一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的分子就會(huì)像你的拳頭那么大。這樣的想象對(duì)我們非常有用，原子大約是細(xì)菌尺寸的1/10000，細(xì)菌大約是蚊子尺寸的 1/10000。（原子核是原子自身體積的1/100000；原子和原子核的差別，就像一團(tuán)火和一次核反應(yīng)

6、之間的差別）我們周圍的物質(zhì)性質(zhì)取決于它們的分子的屬性?？諝獾男螤詈腕w積都不固定是因?yàn)樗姆肿涌梢宰杂梢苿?dòng)，在開(kāi)放的空間中碰撞跳動(dòng)。水分子粘在一起同時(shí)又到處移動(dòng)，所以水在變形的同時(shí)保持體積不變。銅保持它的形狀是因?yàn)樗脑影匆?guī)則形式粘在一起；我們能彎曲和錘打它是因?yàn)樗脑涌梢曰ハ嗷瑒?dòng)同時(shí)又保持聯(lián)系。玻璃在錘擊下會(huì)破碎是因?yàn)樗脑釉诨瑒?dòng)之前就互相分離了。橡膠由互相扭曲在一起的大分子網(wǎng)絡(luò)組成，象一堆彈簧，當(dāng)拉長(zhǎng)和放開(kāi)后，它的分子也被拉直和重新盤繞。這些簡(jiǎn)單分子結(jié)構(gòu)形成的是消極被動(dòng)的物質(zhì)，更復(fù)雜的形式形成了活細(xì)胞中的活動(dòng)的納米機(jī)器。生化學(xué)家已經(jīng)在利用這些機(jī)器，主要是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)也是活細(xì)胞的主要構(gòu)

7、成材料。這些分子機(jī)器由相對(duì)少的原子組成，所以它們的表面凸凹不平，就像把一堆珠子粘在一起的那種形狀。同時(shí)很多對(duì)原子之間的鍵可以被彎曲和旋轉(zhuǎn)，所以蛋白質(zhì)機(jī)器具有非同一般的靈活性，同時(shí)和所有的機(jī)器一樣，它們有不同形狀的部件和尺寸來(lái)完成有用的工作。所有的機(jī)器都使用一大堆原子作零件，蛋白質(zhì)機(jī)器僅僅是使用了很小的一堆原子。生化學(xué)家夢(mèng)想能設(shè)計(jì)和制造這樣的裝置，但是有很多困難要克服。工程師們用光束在硅片表面上蝕刻，而化學(xué)家們要做的比這麻煩的多。如果他們想要組成不同的分子，他們只能有限地控制分子的結(jié)合。當(dāng)生化學(xué)家需要復(fù)雜的分子機(jī)器時(shí)，他們還是不得不從細(xì)胞中借用。然而，先進(jìn)的分子機(jī)器將使他們能像工程師們制造微電路

8、和洗衣機(jī)那樣容易地制造納米電路和納米機(jī)器，之后進(jìn)步將變得快速而富有戲劇性。在現(xiàn)代基因合成機(jī)器里， 基因工程師們建造了更規(guī)則的聚合體特殊的DNA分子通過(guò)按特定的順序組合分子，這些分子就是DNA 中的核苷酸（基因字母表中的字母），基因工程師們并不是把它們像倒垃圾那樣倒在一起，他們引導(dǎo)機(jī)器按特定順序加入不同的核苷酸以便拼出有特定含義的信息。他們先將一種核苷酸加入到鏈的末端，然后洗掉多余的材料，然后加入化合物讓新鏈的末端準(zhǔn)備好可以加入下一個(gè)核苷酸，重復(fù)此步驟鏈就按照特定的順序一次一個(gè)單位地不斷的生長(zhǎng)。他們把鏈的頭部固定在一個(gè)固體表面防止鏈被沖洗的液體沖走，通過(guò)這種方法，他們用一個(gè)大而笨的機(jī)器合成了一個(gè)

9、比它自己小一億倍的特殊的分子結(jié)構(gòu)。但是這種“盲打”操作有時(shí)會(huì)丟失鏈條上的核苷酸，隨著鏈條的增長(zhǎng)，這種可能性也在增加。像工人在組裝前把有缺陷的零件丟掉一樣，基因工程師也通過(guò)拋棄壞鏈條來(lái)減少錯(cuò)誤，然后為了把這條短鏈加入工作基因（通常有幾千個(gè)核苷酸長(zhǎng)），他們將使用在細(xì)菌中發(fā)現(xiàn)的分子機(jī)器。這些蛋白質(zhì)機(jī)器，稱為限制酶， “讀取”某種含義為“剪這兒”的DNA 片斷，他們通過(guò)碰觸，然后粘在上面來(lái)讀此信息，并通過(guò)重新排列一些原子來(lái)剪斷鏈條。其他的酶通過(guò)讀取 “粘這兒” 的信息把剪下來(lái)的片斷結(jié)合到一起，過(guò)程與剪斷類似，只是通過(guò)重新排列原子把不同的片斷結(jié)合起來(lái)。通過(guò)用基因合成機(jī)器寫，用限制酶剪切和粘合，基因工程師

10、們可以寫入和編輯任何它們想要的DNA 信息。就 DNA 本身來(lái)說(shuō)，它是一種無(wú)用的分子， 它既不象 Kevlar（凱芙拉）那么結(jié)實(shí)，又不象染料分子那么多姿多彩，更不象酶那么活潑，但是它有某種特質(zhì)使得工業(yè)上愿意花成百萬(wàn)的美元來(lái)獲得：這就是可以指揮被稱為核糖體的分子機(jī)器的能力。在細(xì)胞中，分子機(jī)器首先轉(zhuǎn)錄 DNA ，復(fù)制它的信息到 RNA “磁帶”上，然后很象早期的靠紙帶上記錄的信息來(lái)控制加工的數(shù)控機(jī)床， 核糖體通過(guò)讀 RNA 鏈上的信息來(lái)合成蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)是非常有用的。核糖體（圖中央的綠色土豆?fàn)钗矬w）通過(guò)讀取RNA 分子（圖中那串黃色的珠子）上的信息來(lái)合成蛋白質(zhì)長(zhǎng)鏈（紫色長(zhǎng)鏈）蛋白質(zhì)，象 DNA

11、一樣，也是由一堆珠子串成的鏈，但是又不象DNA ，蛋白質(zhì)分子折疊起來(lái)形成可以做點(diǎn)事情的小團(tuán)團(tuán)。一些稱為酶，建造和分解分子的機(jī)器 （以及復(fù)制DNA ，建造生命循環(huán)所需的其他蛋白質(zhì)），其他蛋白質(zhì)稱為激素，作為信號(hào)來(lái)使細(xì)胞改變它們的行為?；蚬こ處焸兛梢酝ㄟ^(guò)指導(dǎo)這些存在于生物組織中的廉價(jià)而有效的分子機(jī)器來(lái)方便地制造達(dá)到目的。在化工廠工作的工程師們必須應(yīng)付大桶的化學(xué)藥品 （經(jīng)常錯(cuò)排原子和產(chǎn)生有害的副產(chǎn)品），而用細(xì)菌工作的工程師們則讓它們吸收化學(xué)物質(zhì)，小心地重排原子，把產(chǎn)品存儲(chǔ)起來(lái)或者排放到它們周圍的液體中。基因工程師們現(xiàn)在可以通過(guò)為細(xì)菌編程來(lái)生產(chǎn)從人的生長(zhǎng)荷爾蒙到RENNIN ，一種制造干酪的酶。一家

12、叫Elililly 的藥物公司現(xiàn)在向市場(chǎng)供應(yīng)Humulin ，由細(xì)菌生產(chǎn)的人類胰島素分子?，F(xiàn)有的蛋白質(zhì)機(jī)器這些蛋白質(zhì)激素和酶有選擇地結(jié)合其他的分子。酶可以改變目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，然后移開(kāi)；激素僅僅在和目標(biāo)結(jié)合時(shí)才改變其屬性。激素和酶可以用機(jī)械術(shù)語(yǔ)來(lái)描述，但是它們更經(jīng)常地被用化學(xué)術(shù)語(yǔ)來(lái)描述。其它的一些蛋白質(zhì)執(zhí)行基本的機(jī)械功能，一些可以推和拉，一些則象繩子和杠桿，一些分子部件形成了極好的軸承。例如肌肉的工作機(jī)制，一群蛋白質(zhì)抓住一條繩子（也由蛋白質(zhì)構(gòu)成） ，拉它，然后松開(kāi)為下一次抓握作好準(zhǔn)備；無(wú)論何時(shí)只要你運(yùn)動(dòng)，你就在使用這些機(jī)器。阿米巴變形蟲(chóng)和人類細(xì)胞通過(guò)使用分子構(gòu)成的類似于“肌肉”和“骨骼”的纖維和長(zhǎng)桿

13、來(lái)移動(dòng)和改變它們的形狀。一臺(tái)可反轉(zhuǎn)的，可變速的馬達(dá)通過(guò)旋轉(zhuǎn)螺絲錐形的螺旋槳來(lái)驅(qū)動(dòng)細(xì)菌在水中潛行。如果某位愛(ài)好者用此馬達(dá)制作了一部微小的汽車，那么你的口袋里可以放下1018 個(gè)這種小車，并且在你的毛細(xì)血管里可以為它建造一條150 車道的高速公路。簡(jiǎn)單的分子裝置可以結(jié)合起來(lái)形成系統(tǒng)就象工業(yè)機(jī)器一樣。在 1950 年代工程師們開(kāi)發(fā)了用穿孔紙帶控制的金屬加工機(jī)床。一個(gè)半世紀(jì)以前，Joseph-Marie Jacquard建造了一臺(tái)織布機(jī)，在一串穿孔卡片的控制下它可以編織復(fù)雜的圖案。在Jacquard之前 30 億年，細(xì)胞已經(jīng)進(jìn)化出了核糖體機(jī)器，它們證明了納米機(jī)器可以由蛋白質(zhì)構(gòu)成并且通過(guò)RNA 的編程可

14、以制造復(fù)雜的分子。T4 噬菌體現(xiàn)在我們來(lái)看看病毒， 其中的一種叫T4 噬菌體，工作起來(lái)象一個(gè)彈簧驅(qū)動(dòng)的注射器，其形狀在任何工業(yè)手冊(cè)上都找不到類似物。它會(huì)粘附到一個(gè)細(xì)菌表面，打個(gè)洞，然后把自己的DNA 注射進(jìn)去（是的，即使細(xì)菌也得遭受打針之苦）。就象征服者奪取工廠為他們生產(chǎn)坦克一樣，這些DNA 會(huì)指導(dǎo)細(xì)胞機(jī)器制造更多的病毒DNA和注射器。象所有生物體一樣，這些病毒存在是因?yàn)樗鼈兿喈?dāng)穩(wěn)定并且善于獲得它們自己的復(fù)制品。無(wú)論是否在細(xì)胞內(nèi)部，納米機(jī)器都遵守自然的普遍法則。普通的化學(xué)鍵將它們的原子連接到一起，普通的化學(xué)反應(yīng)（由其他納米機(jī)器引導(dǎo)）把它們組裝起來(lái)。蛋白質(zhì)分子甚至可以不用額外輔助就可以連接并成形

15、，僅僅由熱運(yùn)動(dòng)和化學(xué)力驅(qū)動(dòng)。同過(guò)在試管里混合不同的蛋白質(zhì)（以及它們?yōu)橹ぷ鞯腄NA ），分子生物學(xué)家已經(jīng)合成了可以工作的T4 病毒。這種能力是驚人的： 想象把一堆汽車零件放到一個(gè)箱子里，搖晃它，當(dāng)你再往里看的時(shí)候你就看到了一臺(tái)組裝好了的汽車！而 T4 病毒僅僅是無(wú)數(shù)自組裝結(jié)構(gòu)的一種。分子生物學(xué)家已經(jīng)把核糖體分解成50 種蛋白質(zhì)和RNA分子，然后在試管中混合它們以形成可工作的核糖體。為了看到這一切是如何發(fā)生的，我們可以想象不同的T4 蛋白質(zhì)鏈漂浮在水中，每種都折疊纏繞成特殊的團(tuán)狀，具有各自不同的突起和凹處，形成不同的粘度、濕度和電荷分布。想象它們不斷游動(dòng)和翻滾，被周圍水分子的熱運(yùn)動(dòng)推來(lái)擠去。一次

16、又一次地撞到一起又被撞開(kāi)，在有些情況下，兩個(gè)撞在一起的分子由于突起和凹處正好適合而匹配，它們就緊緊地結(jié)合在一起；通過(guò)這種方式蛋白質(zhì)和蛋白質(zhì)結(jié)合形成部件，而部件結(jié)合形成了整個(gè)病毒。蛋白質(zhì)工程師們不需要納米臂和納米手來(lái)組裝復(fù)雜的納米機(jī)器，但是微小的操縱器還是有用的和應(yīng)該被制造的。和今日的工程師們用普通馬達(dá)、軸承和動(dòng)作部件來(lái)制造機(jī)械手一樣，明日的生化學(xué)家將能使用蛋白質(zhì)分子構(gòu)成馬達(dá)和軸承以及動(dòng)作部件來(lái)組裝成機(jī)械手以便可以操縱單個(gè)分子。蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)這樣的能力離我們有多遠(yuǎn)？現(xiàn)在已經(jīng)上路了，但是還有很多工作要做。生化學(xué)家們已經(jīng)畫出了很多蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。通過(guò)使用基因機(jī)器來(lái)寫DNA磁帶，它們可以指導(dǎo)細(xì)胞建造任何他們

17、設(shè)計(jì)出來(lái)的蛋白質(zhì)。但是他們?nèi)匀徊恢廊绾问沟鞍踪|(zhì)鏈條折疊成正確的形狀來(lái)完成特定功能。折疊蛋白質(zhì)的力是弱的，而蛋白質(zhì)鏈可以折疊的形式卻是個(gè)天文數(shù)字，所以設(shè)計(jì)一個(gè)有用的蛋白質(zhì)是不容易的。使不同蛋白質(zhì)結(jié)合形成復(fù)雜機(jī)器的力和把單個(gè)蛋白質(zhì)鏈折疊成有用形式的力是同一種力。具有不同形狀和結(jié)合力的氨基酸形成蛋白質(zhì)鏈的珠子使得每個(gè)蛋白質(zhì)鏈通過(guò)特定的方式折疊形成特殊的形狀。生物化學(xué)家已經(jīng)學(xué)到了一些關(guān)于氨基酸鏈如何折疊的規(guī)律，但是這些規(guī)律還不是很確定，嘗試預(yù)測(cè)一條氨基酸鏈如何折疊就象解一道七巧板難題，并且沒(méi)有可見(jiàn)的形狀讓你知道拼圖是否是正確的，每個(gè)小塊都有很多種方式與別的小塊結(jié)合，但是除了一種之外其他的結(jié)合方式都是

18、錯(cuò)誤的。錯(cuò)誤的開(kāi)始會(huì)浪費(fèi)很多寶貴的時(shí)間，并且正確的答案我們又幾乎不能識(shí)別，生化學(xué)家使用了當(dāng)前能得到最好的計(jì)算軟件還是不能預(yù)測(cè)一條自然的蛋白質(zhì)長(zhǎng)鏈?zhǔn)侨绾握郫B的，一些人甚至已經(jīng)對(duì)設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子絕望了。絕大部分生化學(xué)家象科學(xué)家那樣工作而不是象工程師。他們致力于預(yù)測(cè)一條自然的蛋白質(zhì)鏈如何折疊，而不是設(shè)計(jì)一條可以按預(yù)測(cè)方式折疊的蛋白質(zhì)鏈，這聽(tīng)起來(lái)是相似的， 但是實(shí)際上有很大差別：首先是科學(xué)上的挑戰(zhàn)，其次是工程上的挑戰(zhàn)。為什么自然的蛋白質(zhì)鏈要按照科學(xué)家容易預(yù)測(cè)的方式折疊？它們會(huì)按照自然的需求正確折疊，而不是按照人們?nèi)菀桌斫獾姆绞秸郫B。可以從開(kāi)始設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)時(shí)就按照使它們的折疊很容易預(yù)測(cè)的目標(biāo)來(lái)設(shè)計(jì)。Carl

19、Pabo，自然雜志的專欄作家，已經(jīng)提出了一個(gè)基于這個(gè)策略的設(shè)計(jì)方法，一些生化學(xué)家也已經(jīng)設(shè)計(jì)和建造了具有幾十個(gè)氨基酸的短鏈然后按照設(shè)計(jì)好的方式折疊和安置在其它分子的表面。他們現(xiàn)在可以從頭開(kāi)始設(shè)計(jì)一種蛋白質(zhì)，其特性與一種存在于蜜蜂毒液里的蜂毒素類似。他們改進(jìn)現(xiàn)有的酶， 按可預(yù)測(cè)的途徑改變它們的行為。我們對(duì)蛋白質(zhì)的認(rèn)識(shí)正在與日俱進(jìn)。在 1959 年，按生化學(xué)家 Garrett Hardin 的說(shuō)法，一些基因?qū)W家聲稱基因工程是不可能的；而今天，它已經(jīng)形成產(chǎn)業(yè)。生化學(xué)家和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開(kāi)始探索新的領(lǐng)域，就象 Frederick Blattner 在科學(xué)雜志上寫的那樣： “計(jì)算機(jī)象棋程序已經(jīng)達(dá)到了特級(jí)大師

20、的水平，也許蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題的解決會(huì)比我們想象的要快?！?Genentech 的WilliamRastetter 在“應(yīng)用生化技術(shù)”上寫道： “新酶的設(shè)計(jì)和合成還要多久？10，15 年？”他答道，“也許不需要那么久。 ”美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的Forrest Carter，IBM 的 AriAviram 和 Philip Seiden，Genex 公司的 Kevin Ulmer ，以及其他分布在全球的大學(xué)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室里的研究者們已經(jīng)開(kāi)始進(jìn)行理論性的工作和試驗(yàn)，目標(biāo)是發(fā)展分子開(kāi)關(guān)、存儲(chǔ)裝置以及其他結(jié)構(gòu)以便組成蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)。美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室擁有兩個(gè)國(guó)際性的車間制造分子電子裝置，一個(gè)由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)

21、贊助的會(huì)議建議支持開(kāi)發(fā)分子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)性研究。據(jù)聞日本已經(jīng)開(kāi)始了一個(gè)數(shù)百萬(wàn)美元的計(jì)劃開(kāi)發(fā)具有自組裝能力的分子馬達(dá)和計(jì)算機(jī)。 VLSI研究公司的報(bào)告中寫道： “看起來(lái)生物芯片（分子電子系統(tǒng)的另一種叫法）的競(jìng)賽已經(jīng)開(kāi)始。NEC ，日立，東芝， Matsushita，富士，三洋和夏普已經(jīng)開(kāi)始全面地進(jìn)行生物芯片和生物計(jì)算機(jī)的研究?！鄙锘瘜W(xué)家有另外的理由來(lái)學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的藝術(shù)。新的酶肯定可以使骯臟、昂貴的化學(xué)處理變得更便宜和更干凈，并且神奇的蛋白質(zhì)也為生化學(xué)家提供了一個(gè)更廣闊的工具選擇范圍。他們已經(jīng)走上了蛋白質(zhì)工程之路，就象本章開(kāi)頭引用的Kevin Ulmer 的話說(shuō)的那樣， 這條路將帶我們 “走向一

22、條可以讓我們獲得一個(gè)原子一個(gè)原子地構(gòu)成物質(zhì)的更通用能力的分子工程之路?！钡诙{米技術(shù)雖然具有多功能性，蛋白質(zhì)作為工程材料來(lái)說(shuō)也有缺點(diǎn)。蛋白質(zhì)機(jī)器在干燥的環(huán)境下會(huì)不工作，冷凍時(shí)會(huì)凝固，加熱時(shí)會(huì)失效。我們并不用肌肉，頭發(fā)和膠水來(lái)制造機(jī)器，幾個(gè)世紀(jì)以來(lái)，我們用由我們的肌肉和骨骼組成的手來(lái)制造由木頭、陶瓷、鋼鐵和塑料組成的機(jī)器。我們?cè)趯?lái)仍將這么做。我們用蛋白質(zhì)機(jī)器來(lái)制造由比蛋白質(zhì)更堅(jiān)硬的材料組成的納米機(jī)器。隨著納米技術(shù)的發(fā)展超越了對(duì)蛋白質(zhì)的依賴后，從一個(gè)工程師的角度來(lái)看，它將變得更平常。分子將象裝配工手里的零件一樣被組裝，然后組裝好的部件被安裝牢固。就象普通工具可以把零件組裝成普通機(jī)器一樣，分子工

23、具把分子組裝在一起形成微小的齒輪、馬達(dá)、杠桿、外殼然后把它們組合成復(fù)雜的機(jī)器。只含有幾個(gè)原子的部件是粗糙的，但是工程師們可以使用這些粗糙的部件，如果他們有光滑的軸承的話。很方便地，一些原子間的結(jié)合力形成了很好的軸承；一個(gè)部件可以被一個(gè)簡(jiǎn)單的化學(xué)鍵托起并且可以自由地光滑地旋轉(zhuǎn)。由于一個(gè)軸承可以由僅僅兩個(gè)原子構(gòu)成（因此運(yùn)動(dòng)部件可以僅僅由數(shù)個(gè)原子組成），納米機(jī)器的確可以擁有分子尺寸上的機(jī)械零件。我們將怎樣制造這些更好的機(jī)器？一直以來(lái)，工程師們利用技術(shù)本身來(lái)改進(jìn)技術(shù)。他們用金屬工具來(lái)切削金屬制成更好的工具，用計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)計(jì)更好的計(jì)算機(jī)。他們也一樣會(huì)用蛋白質(zhì)納米機(jī)器來(lái)制造更好的納米機(jī)器。酶顯示了這種方法：

24、它們通過(guò)從周圍的水中抓取小分子并把它們放到一起形成鍵來(lái)組裝大分子。酶通過(guò)這種方法來(lái)組裝DNA 、RNA 、蛋白質(zhì)、脂肪、激素以及葉綠素事實(shí)上是生物體內(nèi)的所有分子。生化工程師們，將創(chuàng)造新的酶來(lái)組裝新的原子結(jié)構(gòu)。例如，他們可能制造一種象酶一樣的機(jī)器，它可以把碳原子連接在一點(diǎn)上，一層又一層的壘起來(lái)。如果連接正確的話，原子將會(huì)形成一條極好的柔韌的鉆石纖維，這條纖維將比同樣重量的鋁合金強(qiáng)度高50 倍。宇航工程公司將排著隊(duì)來(lái)成噸地買這樣的纖維去造性能先進(jìn)的復(fù)合材料。（這顯示了軍事競(jìng)賽將會(huì)推動(dòng)分子技術(shù)的一個(gè)小原因，就象在過(guò)去它推動(dòng)了許多領(lǐng)域一樣）。當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)機(jī)器可以建造比纖維更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)就意味著偉大的進(jìn)步即

25、將到來(lái)。這些可編程的蛋白質(zhì)機(jī)器將象由RNA 編程的核糖體，或者老一代紙帶編程的自動(dòng)機(jī)床那樣工作。它們將開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新的充滿了可能性的世界，使工程師們擺脫蛋白質(zhì)的限制，直接設(shè)計(jì)和制造納米機(jī)器。工程蛋白質(zhì)將象酶那樣分裂和連接分子。現(xiàn)有的蛋白質(zhì)結(jié)合多種小分子，使用它們作為化學(xué)工具，新的工程蛋白質(zhì)將使用所有這類工具甚至更多。此外，有機(jī)化學(xué)家顯示了化學(xué)反應(yīng)在沒(méi)有納米機(jī)器引導(dǎo)分子的情況下也可以產(chǎn)生顯著的結(jié)果?；瘜W(xué)家不能控制液體中的分子碰撞，因此分子任意地起反應(yīng)，僅取決于它們?nèi)绾谓Y(jié)合，但是他們?nèi)匀辉噲D讓反應(yīng)分子形成規(guī)則結(jié)構(gòu)諸如立方體或十二面體，或者形成不太穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)比如鍵高度繃緊的分子環(huán)。分子機(jī)器將具有形成鍵的

26、多功能性，因?yàn)樗鼈兡芾檬煜さ姆肿舆\(yùn)動(dòng)來(lái)形成鍵，并且能引導(dǎo)這些運(yùn)動(dòng)，而這是化學(xué)家做不到的。當(dāng)然，由于化學(xué)家還不能引導(dǎo)分子運(yùn)動(dòng)，他們很少能按照特定要求組裝復(fù)雜分子。他們能造的最大的復(fù)雜分子只是一些線性長(zhǎng)鏈?；瘜W(xué)家制造這些結(jié)構(gòu)的方式類似于基因機(jī)器，他們一次一個(gè)地把分子依次接到鏈上。因?yàn)橹挥幸环N連接可能性，所以他們可以確信下一個(gè)會(huì)連到正確的位置上。但是如果面對(duì)一個(gè)團(tuán)狀的，有上百個(gè)氫原子在表面上的疙疙瘩瘩的分子，化學(xué)家又怎樣才能從上面分離一個(gè)特定的原子或者放些東西在它表面呢？使用簡(jiǎn)單化學(xué)藥品是幾乎不可能做到的，因?yàn)橐话阈》肿邮遣荒苓x擇在什么位置和大分子起反應(yīng)的，但是蛋白質(zhì)機(jī)器是有選擇性的。一個(gè)可變形的

27、可編程的蛋白質(zhì)機(jī)器可以抓住一個(gè)大分子（工件）同時(shí)又相應(yīng)地在對(duì)應(yīng)的位置抓住一個(gè)小分子。象一個(gè)酶那樣它會(huì)把兩個(gè)分子結(jié)合起來(lái)。通過(guò)結(jié)合一個(gè)又一個(gè)的分子到工件上，機(jī)器會(huì)組裝出越來(lái)越大的結(jié)構(gòu)體同時(shí)保持對(duì)結(jié)合到主體上的原子的完全控制。這正是化學(xué)家所欠缺的關(guān)鍵能力。就象核糖體一樣，這種納米機(jī)器能在分子磁帶的指導(dǎo)下工作。不同于核糖體，它們可以操縱更多種小分子（不僅是氨基酸分子）并且可以把它們安裝到工件的任何位置而不只是在鏈的末端。蛋白質(zhì)機(jī)器因此可以集中酶的分解與結(jié)合能力以及核糖體的可編程性質(zhì)于一身。盡管核糖體只能制造未折疊的蛋白質(zhì)，這些蛋白質(zhì)機(jī)器卻可以建造組成金屬、陶瓷或鉆石的微小的固體塊小到看不見(jiàn)，但是卻是

28、粗糙的。因?yàn)槲覀兊氖种溉菀妆徊羵驙C傷，所以我們制造了鋼鉗，而因?yàn)榈鞍踪|(zhì)機(jī)器容易變形和分解，我們將制造由更堅(jiān)硬的材料制成的納米機(jī)器。通用組裝機(jī)這些第二代納米機(jī)器不僅由蛋白質(zhì)構(gòu)成將能做所有蛋白質(zhì)能做的工作，以及更多的工作。特別是，一些將作為組裝分子結(jié)構(gòu)的改進(jìn)裝置，能忍受酸性或真空，冷凍或烘烤。通過(guò)不同的設(shè)計(jì)，這種類似酶的第二代納米機(jī)器將能作為化學(xué)家手中的工具去操縱幾乎任何反應(yīng)分子，具有可編程機(jī)器的精確性。它們能把原子結(jié)合成任何穩(wěn)定的形態(tài)，可以一次一點(diǎn)地把零件加到工件表面直到形成一個(gè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)體。我們可以把這樣的納米機(jī)器想象成一個(gè)裝配工。因?yàn)檠b配工可以讓我們把原子按任何合理的順序排列，它們可以幫我們

29、建造任何自然法則允許存在的東西，特別是，它們可以讓我們能按照設(shè)計(jì)建造任何東西包括更多的裝配工。這導(dǎo)致的結(jié)果是意義深遠(yuǎn)的，因?yàn)槲覀兊脑嫉墓ぞ咧蛔屛覀兲剿髁俗匀环▌t允許的可能性的很小一部分。組裝機(jī)將開(kāi)創(chuàng)一個(gè)新技術(shù)的世界。在醫(yī)藥、航天、計(jì)算、制造以及軍事方面的技術(shù)進(jìn)步都依賴于我們排列組合原子的能力。通過(guò)使用組裝機(jī)，我們將能重塑我們的世界或者毀滅它。在這點(diǎn)上來(lái)說(shuō)我們應(yīng)該退后一點(diǎn)以便看清前景，并且能使我們確信組裝機(jī)和納米技術(shù)不僅僅是個(gè)未來(lái)的幻影。明確結(jié)論在前面我討論過(guò)的所有內(nèi)容都是基于已被證明的化學(xué)和分子生物學(xué)事實(shí)。但是人們還是會(huì)基于根深蒂固的物理學(xué)和生物學(xué)觀念提出某些疑問(wèn)，對(duì)于這些疑問(wèn)應(yīng)該給出更直接

30、的回答?！傲孔恿W(xué)的不確定性原理會(huì)不會(huì)使分子機(jī)器無(wú)法工作？”這條原理說(shuō)明粒子不能被固定在一個(gè)精確的位置，在任何可確定的時(shí)間范圍內(nèi)。它限定了分子機(jī)器的動(dòng)作，就象它限定了任何別的事物的動(dòng)作一樣。雖然如此，計(jì)算表明不確定性對(duì)放置原子來(lái)說(shuō)并不是重要的限制因素，至少對(duì)這里概略討論的目的來(lái)說(shuō)是這樣。不確定性原理使電子的位置很模糊，事實(shí)上這種模糊決定了原子的真實(shí)尺寸和結(jié)構(gòu)。原子作為一個(gè)整體來(lái)說(shuō)具有相當(dāng)明確的位置，而這是由它的相對(duì)厚重的原子核決定的。如果原子不能被穩(wěn)定放置，那么分子將不存在。你不用學(xué)過(guò)量子力學(xué)就可以確信這個(gè)結(jié)論，因?yàn)榧?xì)胞中的分子機(jī)器已經(jīng)證明了分子機(jī)器是可以工作的。“分子的熱振動(dòng)會(huì)使分子機(jī)器不能

31、工作或者太不穩(wěn)定而沒(méi)有用處嗎？”熱振動(dòng)將會(huì)引起比不確定性原理更大的問(wèn)題，然而現(xiàn)存的分子機(jī)器仍然證明了分子機(jī)器可以在常溫下工作。 除開(kāi)熱振動(dòng)不談， 細(xì)胞中的 DNA 復(fù)制機(jī)制在100，000，000，000 次復(fù)制中只有不到一次出錯(cuò)。為了達(dá)到這樣的精度，細(xì)胞使用了機(jī)器（例如 DNA 聚合酶）來(lái)保證復(fù)制以及糾正錯(cuò)誤。組裝機(jī)也需要相似的錯(cuò)誤檢查和錯(cuò)誤糾正機(jī)制以達(dá)到可靠的結(jié)果。“輻射會(huì)分解分子機(jī)器使它們失去作用嗎？”高能射線可以打斷化學(xué)鍵從而分解分子機(jī)器?；罴?xì)胞多次顯示了此種結(jié)果：它們整年地工作來(lái)修補(bǔ)和替換被輻射破壞的部分。由于單個(gè)分子機(jī)器是這樣小，以至它們對(duì)射線來(lái)說(shuō)太小而很少被擊中。當(dāng)然如果一個(gè)納米

32、機(jī)器系統(tǒng)要可靠工作，它必須能容忍一定的破壞，并且被破壞的部件也必須能被有規(guī)律地修補(bǔ)和替換。這種達(dá)到可靠性的方法被飛機(jī)和飛船的設(shè)計(jì)者所熟知?！坝捎谶M(jìn)化沒(méi)有產(chǎn)生組裝機(jī)，是否說(shuō)明它們是不可能實(shí)現(xiàn)的或者是無(wú)用的？”前面的問(wèn)題可以部分地用細(xì)胞中工作的分子機(jī)器來(lái)回答。這是一個(gè)簡(jiǎn)單而有力的案例，證明了自然法則允許一團(tuán)原子組成可控機(jī)器，能建造其它的納米機(jī)器。但是盡管和核糖體有基本的相似性，組裝機(jī)還是不同于細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的任何東西，它們做的事雖然是由普通的分子運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)組成卻能帶來(lái)奇異的結(jié)果。例如，沒(méi)有一種細(xì)胞能制造出鉆石纖維。新型的納米機(jī)器能帶來(lái)新的有用的能力的觀點(diǎn)可能是令人吃驚的：在幾十億年的進(jìn)化中，生命從來(lái)沒(méi)

33、有拋棄它對(duì)蛋白質(zhì)機(jī)器的基本的信念。是否這就暗示了進(jìn)步是不可能的？進(jìn)化是通過(guò)微小的改變來(lái)完成的，DNA 的進(jìn)化不能簡(jiǎn)單地取代DNA 。由于 DNA/RNA/ 核糖體系統(tǒng)是特別用來(lái)制造蛋白質(zhì)的，生命實(shí)際上沒(méi)有機(jī)會(huì)發(fā)展另外的系統(tǒng)。任何產(chǎn)品經(jīng)理都會(huì)感激這個(gè)理由，比工廠更甚，生命不能承受被關(guān)閉以便更換舊的系統(tǒng)帶來(lái)的后果。改進(jìn)的分子機(jī)器也不會(huì)比合金鋼的強(qiáng)度10 倍于骨頭，或者銅導(dǎo)線傳導(dǎo)信號(hào)的速度 100 萬(wàn)倍于神經(jīng)傳導(dǎo)的速度而更使我們吃驚。汽車比美洲豹跑得快，噴氣飛機(jī)比獵鷹飛的快，計(jì)算機(jī)比人心算的快。未來(lái)將帶給我們生物進(jìn)化上的更多例子，第二代納米機(jī)器只是其中之一。從物理上來(lái)說(shuō)，為什么先進(jìn)的組裝機(jī)能比現(xiàn)存的

34、蛋白質(zhì)機(jī)器做更多的事是顯而易見(jiàn)的。它們象核糖體那樣可編程，而且可以使用比細(xì)胞中的酶更多的工具。因?yàn)樗鼈儗⒂帽鹊鞍踪|(zhì)更堅(jiān)硬、更穩(wěn)定的原料制成，所以能發(fā)出更大的力，運(yùn)動(dòng)精度更高，以及適應(yīng)更苛刻的環(huán)境。象個(gè)工業(yè)機(jī)械手而不象任何活細(xì)胞中的東西它們可以在程序控制下在三維空間中旋轉(zhuǎn)和移動(dòng)分子，使得精確裝配復(fù)雜物體成為可能。這些優(yōu)勢(shì)使它們可以組裝形成比活細(xì)胞已經(jīng)制造出來(lái)的更多得多的分子結(jié)構(gòu)?！笆欠裆哂心撤N魔力，而在實(shí)質(zhì)上使得分子機(jī)器工作？”人們可能會(huì)懷疑人造的納米機(jī)器是否能和細(xì)胞中的納米機(jī)器具有同樣的能力，如果有證據(jù)表明細(xì)胞中存在有某種魔力使之工作的話。這種想法被稱為“生機(jī)論”，生物學(xué)家已經(jīng)拋棄了它因?yàn)?/p>

35、他們?cè)诨罴?xì)胞研究的所有方面都找到了化學(xué)和物理的解釋，包括它們的運(yùn)動(dòng)、生長(zhǎng)和復(fù)制。事實(shí)上，這些知識(shí)是生物學(xué)的基石。納米機(jī)器漂浮在消過(guò)毒的試管中，在細(xì)胞之外，表現(xiàn)了所有它們?cè)诨罴?xì)胞內(nèi)表現(xiàn)出的行為。通過(guò)化學(xué)物質(zhì)，生化學(xué)家建造了能工作的蛋白質(zhì)機(jī)器而不用活細(xì)胞的幫助。例如，R. B. Merrifield 使用化學(xué)技術(shù)來(lái)組裝簡(jiǎn)單的氨基酸，制成牛胰島素，一種分解 RNA 的酶。支配生命的自然法則同樣也支配宇宙中其它的事物?！敖M裝機(jī)和其他納米機(jī)器的可能性聽(tīng)起來(lái)有道理，但是我們?yōu)槭裁床坏鹊瓤?，看它們是否能被發(fā)展出來(lái)？”純粹的好奇心可能是檢驗(yàn)納米技術(shù)為我們創(chuàng)造的可能性的足夠的理由，但是還有更重要的理由。這些進(jìn)展

36、將會(huì)在10 到 50 年內(nèi)席卷全球就是說(shuō)，在我們的一生之內(nèi)。更甚者，下面的章節(jié)的結(jié)論將說(shuō)明等待觀望的政策代價(jià)將是很昂貴的可能會(huì)搭上幾百萬(wàn)人的生命，也可能會(huì)結(jié)束地球上的生命。是不是納米技術(shù)和組裝機(jī)的可能性足以引起重視？看起來(lái)是這樣的，因?yàn)檫@件事的核心是建立在兩個(gè)確定的科學(xué)和工程事實(shí)之上的。這就是（1）現(xiàn)存的分子機(jī)器提供了很多種基本功能，以及（ 2）提供這些基本功能的部件可以被連接起來(lái)組成復(fù)雜的機(jī)器。由于化學(xué)反應(yīng)可以把原子按不同方式結(jié)合，而且分子機(jī)器可以按照程序指令引導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)，組裝機(jī)確實(shí)是可行的。納米計(jì)算機(jī)組裝機(jī)將帶來(lái)的一個(gè)顯而易見(jiàn)的重要的突破是：工程師們將可以用它們來(lái)大幅減小計(jì)算機(jī)的尺寸和價(jià)格

37、并且大大地提高運(yùn)算速度。使用目前的體積技術(shù)，工程師們通過(guò)向硅片噴射原子和光子來(lái)形成圖案，但是圖案是平面的并且分子水平的缺陷是難以避免的。而如果使用組裝機(jī)，無(wú)論如何，工程師們可以在三維空間中建造電路，精確到一個(gè)原子。今日的電子技術(shù)的精度極限是不確定的因?yàn)殡娮釉谖⑿〗Y(jié)構(gòu)中的量子特性帶來(lái)了復(fù)雜問(wèn)題，一些問(wèn)題是不確定性原理導(dǎo)致的直接后果。無(wú)論它的極限在哪兒， 都會(huì)由于組裝機(jī)的使用而被達(dá)到。最快的計(jì)算機(jī)將利用電子效應(yīng)，但最小的未必如此。這看起來(lái)有點(diǎn)奇怪，但是計(jì)算的本質(zhì)卻和電子一點(diǎn)關(guān)系都沒(méi)有。一臺(tái)電子計(jì)算機(jī)由一堆可以彼此互相開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)組成，它的開(kāi)關(guān)開(kāi)始時(shí)是一種組合圖案（可能代表2+2）然后彼此開(kāi)關(guān)又形成了另一種圖案（代表4），等等。這種圖案可以代表幾乎任何事物。工程師們用微電路來(lái)制造計(jì)算機(jī)只是因?yàn)橛呻娋€和杠桿組成的機(jī)械開(kāi)關(guān)又大、又慢、又不可靠并且昂貴，按今天的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)看。制造純機(jī)械計(jì)算機(jī)的想法不是什么新想法，在十九世紀(jì)中葉的英格蘭，CharlesBabbage 就發(fā)明了一臺(tái)由黃銅齒輪