NanoST 版 (精华区)

发信人: wxl (小亮), 信区: NanoST
标  题: 第一章 建造的发动机
发信站: 哈工大紫丁香 (Fri May 13 08:44:50 2005), 转信

　　蛋白质工程……允许我们一个原子一个原子地构造物质，代表了我们迈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长）

　　煤和钻石，砂子和芯片，癌细胞和健康组织：纵观历史，原子排列的不同导致了便宜和贵重，疾病和健康的显著区别。按一种形式排列，原子形成了土壤，空气和水；按另一种形式排列，它们形成了草莓。按一种形式排列，它们形成了家园和新鲜空气；按另一种形式排列，他们形成了烟雾和灰尘。

　　我们排列组合原子的能力取决于我们的技术基础。我们在原子排列的路上已经走了很长时间了，从砸石头制作箭头到加工铝制作宇宙飞船。我们为我们的救生药和计算机技术而骄傲。但是我们的飞船还是很粗糙，我们的电脑还是很笨，我们身体组织里的分子还是会变得无序，先是摧毁健康，然后是生命本身。我们所有在排列原子方面的进展仍然在使用原始的方法。我们现在的技术仍然是把原子作为杂乱的一大堆来操作。

　　但是自然的法则为发展留出了足够的空间，并且全球竞赛的压力也促使我们快速向前，不论是好是坏，历史上最伟大的技术突破正在到来！

　　
　　两种类型的技术

　　我们的现代技术建立在一个古老的传统上。3万年前，石片切削是当时的高技术。我们的祖先手里抓着含有1024个原子的石头，去掉含有1021个原子的碎片来制造他们的战斧；他们使用的技巧现在都难以模仿。他们也能把手作为模板，用颜料在洞壁上画画。之后他们用粘土烧制陶罐，然后是烧化矿石得到青铜，他们锤打青铜使之成型。他们炼出了铁，然后是钢，用加热、锻打、切削的方法使之成型。

　　我们现在能烧制更纯的陶瓷和强度更高的钢，但是我们仍然使用锻打、切削等的方法来使它们成型。我们炼制纯硅，把它们切成薄片，用紫外线通过模板在它们的表面蚀刻图案。我们把完成的产品叫做芯片并且认为它们极其精细，至少和斧头比起来是这样。

　　我们的微电子技术的发展已经使得计算机从1950年代的塞满整个房间的大家伙缩小到了可以放在口袋里的地步。工程师们现在正在制造更小的装置，在晶体表面放置大量原子形成线路，宽度只有头发丝的1/10。

　　这些微电路按石片的标准来说可能算小，但是其每个晶体管仍然由1012个原子组成，所以所谓的微型电脑仍然是肉眼可见的，而按照更新的更有威力的技术的标准来看它们就象是巨人。

　　把我们从石器时代领到硅芯片时代的旧形式的技术把原子和分子当作一大堆来使用；称作“体积技术”，新形式的技术将精确地控制单个的原子和分子；称作“分子技术”。它将在很多方面超出我们想象地改变我们的世界。

　　微电路部分地用微米来度量——就是说一米的百万分之一，而分子要用纳米来度量（再小1000倍）。我们可以使用“纳米技术”和“分子技术”来交替地描述这种新形式的技术。新技术工程师们将制造纳米电路和纳米机器。

　　
　　今日的分子技术

　　在一本字典里这样定义机器“一种系统，通常有刚性的主体，连接成型以便按预先定好的方式改变、传输、引导力来实现特定的目标，诸如做有用的工作。”分子机器很适合此定义。

　　要想象这样的机器，你必须先有分子的形象。我们可以把原子想象为一个珠子而分子是一团珠子，就像小孩玩的由按扣连起来的珠子。事实上，化学家们确实有时也用塑料球建造分子模型。原子是圆形的象球，虽然分子键并不是按扣，但我们的图像至少抓住了分子键可以被打断和重连接的基本概念。

　　如果一个原子象一个小弹球那么大，一个相当复杂的分子就会像你的拳头那么大。这样的想象对我们非常有用，原子大约是细菌尺寸的1/10000，细菌大约是蚊子尺寸的1/10000。（原子核是原子自身体积的1/100000；原子和原子核的差别，就像一团火和一次核反应之间的差别）

　　我们周围的物质性质取决于它们的分子的属性。空气的形状和体积都不固定是因为它的分子可以自由移动，在开放的空间中碰撞跳动。水分子粘在一起同时又到处移动，所以水在变形的同时保持体积不变。铜保持它的形状是因为它的原子按规则形式粘在一起；我们能弯曲和锤打它是因为它的原子可以互相滑动同时又保持联系。玻璃在锤击下会破碎是因为它的原子在滑动之前就互相分离了。橡胶由互相扭曲在一起的大分子网络组成，象一堆弹簧，当拉长和放开后，它的分子也被拉直和重新盘绕。这些简单分子结构形成的是消极被动的物质，更复杂的形式形成了活细胞中的活动的纳米机器。

　　
　　生化学家已经在利用这些机器，主要是蛋白质，蛋白质也是活细胞的主要构成材料。这些分子机器由相对少的原子组成，所以它们的表面凸凹不平，就像把一堆珠子粘在一起的那种形状。同时很多对原子之间的键可以被弯曲和旋转，所以蛋白质机器具有非同一般的灵活性，同时和所有的机器一样，它们有不同形状的部件和尺寸来完成有用的工作。所有的机器都使用一大堆原子作零件，蛋白质机器仅仅是使用了很小的一堆原子。

　　生化学家梦想能设计和制造这样的装置，但是有很多困难要克服。工程师们用光束在硅片表面上蚀刻，而化学家们要做的比这麻烦的多。如果他们想要组成不同的分子，他们只能有限地控制分子的结合。当生化学家需要复杂的分子机器时，他们还是不得不从细胞中借用。然而，先进的分子机器将使他们能像工程师们制造微电路和洗衣机那样容易地制造纳米电路和纳米机器，之后进步将变得快速而富有戏剧性。

　　在现代基因合成机器里，基因工程师们建造了更规则的聚合体——特殊的DNA分子——通过按特定的顺序组合分子，这些分子就是DNA中的核苷酸（基因字母表中的字母），基因工程师们并不是把它们像倒垃圾那样倒在一起，他们引导机器按特定顺序加入不同的核苷酸以便拼出有特定含义的信息。他们先将一种核苷酸加入到链的末端，然后洗掉多余的材料，然后加入化合物让新链的末端准备好可以加入下一个核苷酸，重复此步骤链就按照特定的顺序一次一个单位地不断的生长。他们把链的头部固定在一个固体表面防止链被冲洗的液体冲走，通过这种方法，他们用一个大而笨的机器合成了一个比它自己小一亿倍的特殊的分子结构。

　　但是这种“盲打”操作有时会丢失链条上的核苷酸，随着链条的增长，这种可能性也在增加。像工人在组装前把有缺陷的零件丢掉一样，基因工程师也通过抛弃坏链条来减少错误，然后为了把这条短链加入工作基因（通常有几千个核苷酸长），他们将使用在细菌中发现的分子机器。

　　这些蛋白质机器，称为限制酶，“读取”某种含义为“剪这儿”的DNA片断，他们通过碰触，然后粘在上面来读此信息，并通过重新排列一些原子来剪断链条。其他的酶通过读取“粘这儿”的信息把剪下来的片断结合到一起，过程与剪断类似，只是通过重新排列原子把不同的片断结合起来。通过用基因合成机器写，用限制酶剪切和粘合，基因工程师们可以写入和编辑任何它们想要的DNA信息。

　　就DNA本身来说，它是一种无用的分子，它既不象Kevlar（凯芙拉）那么结实，又不象染料分子那么多姿多彩，更不象酶那么活泼，但是它有某种特质使得工业上愿意花成百万的美元来获得：这就是可以指挥被称为核糖体的分子机器的能力。在细胞中，分子机器首先转录DNA，复制它的信息到RNA“磁带”上，然后很象早期的靠纸带上记录的信息来控制加工的数控机床，核糖体通过读RNA链上的信息来合成蛋白质，而蛋白质是非常有用的。


核糖体（图中央的绿色土豆状物体）通过读取RNA分子（图中那串黄色的珠子）上的信息来合成蛋白质长链（紫色长链） 
 


　　蛋白质，象DNA一样，也是由一堆珠子串成的链，但是又不象DNA，蛋白质分子折叠起来形成可以做点事情的小团团。一些称为酶，建造和分解分子的机器（以及复制DNA，建造生命循环所需的其他蛋白质），其他蛋白质称为激素，作为信号来使细胞改变它们的行为。基因工程师们可以通过指导这些存在于生物组织中的廉价而有效的分子机器来方便地制造达到目的。在化工厂工作的工程师们必须应付大桶的化学药品（经常错排原子和产生有害的副产品），而用细菌工作的工程师们则让它们吸收化学物质，小心地重排原子，把产品存储起来或者排放到它们周围的液体中。

　　基因工程师们现在可以通过为细菌编程来生产从人的生长荷尔蒙到RENNIN，一种制造干酪的酶。一家叫Elililly的药物公司现在向市场供应Humulin，由细菌生产的人类胰岛素分子。


　　现有的蛋白质机器

　　这些蛋白质激素和酶有选择地结合其他的分子。酶可以改变目标的结构，然后移开；激素仅仅在和目标结合时才改变其属性。激素和酶可以用机械术语来描述，但是它们更经常地被用化学术语来描述。

　　其它的一些蛋白质执行基本的机械功能，一些可以推和拉，一些则象绳子和杠杆，一些分子部件形成了极好的轴承。例如肌肉的工作机制，一群蛋白质抓住一条绳子（也由蛋白质构成），拉它，然后松开为下一次抓握作好准备；无论何时只要你运动，你就在使用这些机器。阿米巴变形虫和人类细胞通过使用分子构成的类似于“肌肉”和“骨骼”的纤维和长杆来移动和改变它们的形状。一台可反转的，可变速的马达通过旋转螺丝锥形的螺旋桨来驱动细菌在水中潜行。如果某位爱好者用此马达制作了一部微小的汽车，那么你的口袋里可以放下1018个这种小车，并且在你的毛细血管里可以为它建造一条150车道的高速公路。

　　简单的分子装置可以结合起来形成系统就象工业机器一样。在1950年代工程师们开发了用穿孔纸带控制的金属加工机床。一个半世纪以前，Joseph-Marie Jacquard 建造了一台织布机，在一串穿孔卡片的控制下它可以编织复杂的图案。在Jacquard之前30亿年，细胞已经进化出了核糖体机器，它们证明了纳米机器可以由蛋白质构成并且通过RNA的编程可以制造复杂的分子。


T4噬菌体 
 


　　现在我们来看看病毒，其中的一种叫T4噬菌体，工作起来象一个弹簧驱动的注射器，其形状在任何工业手册上都找不到类似物。它会粘附到一个细菌表面，打个洞，然后把自己的DNA注射进去（是的，即使细菌也得遭受打针之苦）。就象征服者夺取工厂为他们生产坦克一样，这些DNA会指导细胞机器制造更多的病毒DNA和注射器。象所有生物体一样，这些病毒存在是因为它们相当稳定并且善于获得它们自己的复制品。

　　无论是否在细胞内部，纳米机器都遵守自然的普遍法则。普通的化学键将它们的原子连接到一起，普通的化学反应（由其他纳米机器引导）把它们组装起来。蛋白质分子甚至可以不用额外辅助就可以连接并成形，仅仅由热运动和化学力驱动。同过在试管里混合不同的蛋白质（以及它们为之工作的DNA），分子生物学家已经合成了可以工作的T4病毒。这种能力是惊人的：想象把一堆汽车零件放到一个箱子里，摇晃它，当你再往里看的时候你就看到了一台组装好了的汽车！而T4病毒仅仅是无数自组装结构的一种。分子生物学家已经把核糖体分解成50种蛋白质和RNA分子，然后在试管中混合它们以形成可工作的核糖体。

　　为了看到这一切是如何发生的，我们可以想象不同的T4蛋白质链漂浮在水中，每种都折叠缠绕成特殊的团状，具有各自不同的突起和凹处，形成不同的粘度、湿度和电荷分布。想象它们不断游动和翻滚，被周围水分子的热运动推来挤去。一次又一次地撞到一起又被撞开，在有些情况下，两个撞在一起的分子由于突起和凹处正好适合而匹配，它们就紧紧地结合在一起；通过这种方式蛋白质和蛋白质结合形成部件，而部件结合形成了整个病毒。

　　蛋白质工程师们不需要纳米臂和纳米手来组装复杂的纳米机器，但是微小的操纵器还是有用的和应该被制造的。和今日的工程师们用普通马达、轴承和动作部件来制造机械手一样，明日的生化学家将能使用蛋白质分子构成马达和轴承以及动作部件来组装成机械手以便可以操纵单个分子。
　

　　蛋白质设计

　　这样的能力离我们有多远？现在已经上路了，但是还有很多工作要做。生化学家们已经画出了很多蛋白质的结构。通过使用基因机器来写DNA磁带，它们可以指导细胞建造任何他们设计出来的蛋白质。但是他们仍然不知道如何使蛋白质链条折叠成正确的形状来完成特定功能。折叠蛋白质的力是弱的，而蛋白质链可以折叠的形式却是个天文数字，所以设计一个有用的蛋白质是不容易的。

　　使不同蛋白质结合形成复杂机器的力和把单个蛋白质链折叠成有用形式的力是同一种力。具有不同形状和结合力的氨基酸——形成蛋白质链的珠子——使得每个蛋白质链通过特定的方式折叠形成特殊的形状。生物化学家已经学到了一些关于氨基酸链如何折叠的规律，但是这些规律还不是很确定，尝试预测一条氨基酸链如何折叠就象解一道七巧板难题，并且没有可见的形状让你知道拼图是否是正确的，每个小块都有很多种方式与别的小块结合，但是除了一种之外其他的结合方式都是错误的。错误的开始会浪费很多宝贵的时间，并且正确的答案我们又几乎不能识别，生化学家使用了当前能得到最好的计算软件还是不能预测一条自然的蛋白质长链是如何折叠的，一些人甚至已经对设计蛋白质分子绝望了。

　　绝大部分生化学家象科学家那样工作而不是象工程师。他们致力于预测一条自然的蛋白质链如何折叠，而不是设计一条可以按预测方式折叠的蛋白质链，这听起来是相似的，但是实际上有很大差别：首先是科学上的挑战，其次是工程上的挑战。为什么自然的蛋白质链要按照科学家容易预测的方式折叠？它们会按照自然的需求正确折叠，而不是按照人们容易理解的方式折叠。

　　可以从开始设计蛋白质时就按照使它们的折叠很容易预测的目标来设计。Carl Pabo，自然杂志的专栏作家，已经提出了一个基于这个策略的设计方法，一些生化学家也已经设计和建造了具有几十个氨基酸的短链然后按照设计好的方式折叠和安置在其它分子的表面。他们现在可以从头开始设计一种蛋白质，其特性与一种存在于蜜蜂毒液里的蜂毒素类似。他们改进现有的酶，按可预测的途径改变它们的行为。我们对蛋白质的认识正在与日俱进。

　　在1959 年，按生化学家Garrett Hardin的说法，一些基因学家声称基因工程是不可能的；而今天，它已经形成产业。生化学家和计算机辅助设计开始探索新的领域，就象Frederick Blattner在科学杂志上写的那样：“计算机象棋程序已经达到了特级大师的水平，也许蛋白质折叠问题的解决会比我们想象的要快。” Genentech的William Rastetter在“应用生化技术”上写道：“新酶的设计和合成还要多久？10，15年？”他答道，“也许不需要那么久。”

　　美国海军研究实验室的Forrest Carter，IBM的Ari Aviram 和 Philip Seiden，Genex公司的Kevin Ulmer，以及其他分布在全球的大学和工业实验室里的研究者们已经开始进行理论性的工作和试验，目标是发展分子开关、存储装置以及其他结构以便组成蛋白质计算机。美国海军研究实验室拥有两个国际性的车间制造分子电子装置，一个由美国国家科学基金会赞助的会议建议支持开发分子计算机的基础性研究。据闻日本已经开始了一个数百万美元的计划开发具有自组装能力的分子马达和计算机。VLSI研究公司的报告中写道：“看起来生物芯片（分子电子系统的另一种叫法）的竞赛已经开始。NEC，日立，东芝，Matsushita，富士，三洋和夏普已经开始全面地进行生物芯片和生物计算机的研究。”

　　生物化学家有另外的理由来学习蛋白质设计的艺术。新的酶肯定可以使肮脏、昂贵的化学处理变得更便宜和更干净，并且神奇的蛋白质也为生化学家提供了一个更广阔的工具选择范围。他们已经走上了蛋白质工程之路，就象本章开头引用的Kevin Ulmer的话说的那样，这条路将带我们“走向一条可以让我们获得一个原子一个原子地构成物质的更通用能力的分子工程之路。”


　　第二代纳米技术

　　虽然具有多功能性，蛋白质作为工程材料来说也有缺点。蛋白质机器在干燥的环境下会不工作，冷冻时会凝固，加热时会失效。我们并不用肌肉，头发和胶水来制造机器，几个世纪以来，我们用由我们的肌肉和骨骼组成的手来制造由木头、陶瓷、钢铁和塑料组成的机器。我们在将来仍将这么做。我们用蛋白质机器来制造由比蛋白质更坚硬的材料组成的纳米机器。

　　随着纳米技术的发展超越了对蛋白质的依赖后，从一个工程师的角度来看，它将变得更平常。分子将象装配工手里的零件一样被组装，然后组装好的部件被安装牢固。就象普通工具可以把零件组装成普通机器一样，分子工具把分子组装在一起形成微小的齿轮、马达、杠杆、外壳然后把它们组合成复杂的机器。

　　只含有几个原子的部件是粗糙的，但是工程师们可以使用这些粗糙的部件，如果他们有光滑的轴承的话。很方便地，一些原子间的结合力形成了很好的轴承；一个部件可以被一个简单的化学键托起并且可以自由地光滑地旋转。由于一个轴承可以由仅仅两个原子构成（因此运动部件可以仅仅由数个原子组成），纳米机器的确可以拥有分子尺寸上的机械零件。

　　我们将怎样制造这些更好的机器？一直以来，工程师们利用技术本身来改进技术。他们用金属工具来切削金属制成更好的工具，用计算机来设计更好的计算机。他们也一样会用蛋白质纳米机器来制造更好的纳米机器。酶显示了这种方法：它们通过从周围的水中抓取小分子并把它们放到一起形成键来组装大分子。酶通过这种方法来组装DNA、RNA、蛋白质、脂肪、激素以及叶绿素——事实上是生物体内的所有分子。

　　生化工程师们，将创造新的酶来组装新的原子结构。例如，他们可能制造一种象酶一样的机器，它可以把碳原子连接在一点上，一层又一层的垒起来。如果连接正确的话，原子将会形成一条极好的柔韧的钻石纤维，这条纤维将比同样重量的铝合金强度高50倍。宇航工程公司将排着队来成吨地买这样的纤维去造性能先进的复合材料。（这显示了军事竞赛将会推动分子技术的一个小原因，就象在过去它推动了许多领域一样）。

　　当蛋白质机器可以建造比纤维更复杂的结构时就意味着伟大的进步即将到来。这些可编程的蛋白质机器将象由RNA编程的核糖体，或者老一代纸带编程的自动机床那样工作。它们将开创一个新的充满了可能性的世界，使工程师们摆脱蛋白质的限制，直接设计和制造纳米机器。

　　工程蛋白质将象酶那样分裂和连接分子。现有的蛋白质结合多种小分子，使用它们作为化学工具，新的工程蛋白质将使用所有这类工具甚至更多。

　　此外，有机化学家显示了化学反应在没有纳米机器引导分子的情况下也可以产生显著的结果。化学家不能控制液体中的分子碰撞，因此分子任意地起反应，仅取决于它们如何结合，但是他们仍然试图让反应分子形成规则结构诸如立方体或十二面体，或者形成不太稳定的结构比如键高度绷紧的分子环。分子机器将具有形成键的多功能性，因为它们能利用熟悉的分子运动来形成键，并且能引导这些运动，而这是化学家做不到的。

　　当然，由于化学家还不能引导分子运动，他们很少能按照特定要求组装复杂分子。他们能造的最大的复杂分子只是一些线性长链。化学家制造这些结构的方式类似于基因机器，他们一次一个地把分子依次接到链上。因为只有一种连接可能性，所以他们可以确信下一个会连到正确的位置上。

　　但是如果面对一个团状的，有上百个氢原子在表面上的疙疙瘩瘩的分子，化学家又怎样才能从上面分离一个特定的原子或者放些东西在它表面呢？使用简单化学药品是几乎不可能做到的，因为一般小分子是不能选择在什么位置和大分子起反应的，但是蛋白质机器是有选择性的。

　　一个可变形的可编程的蛋白质机器可以抓住一个大分子（工件）同时又相应地在对应的位置抓住一个小分子。象一个酶那样它会把两个分子结合起来。通过结合一个又一个的分子到工件上，机器会组装出越来越大的结构体同时保持对结合到主体上的原子的完全控制。这正是化学家所欠缺的关键能力。

　　就象核糖体一样，这种纳米机器能在分子磁带的指导下工作。不同于核糖体，它们可以操纵更多种小分子（不仅是氨基酸分子）并且可以把它们安装到工件的任何位置而不只是在链的末端。蛋白质机器因此可以集中酶的分解与结合能力以及核糖体的可编程性质于一身。尽管核糖体只能制造未折叠的蛋白质，这些蛋白质机器却可以建造组成金属、陶瓷或钻石的微小的固体块——小到看不见，但是却是粗糙的。

　　因为我们的手指容易被擦伤或烫伤，所以我们制造了钢钳，而因为蛋白质机器容易变形和分解，我们将制造由更坚硬的材料制成的纳米机器。

　
　　通用组装机

　　这些第二代纳米机器——不仅由蛋白质构成——将能做所有蛋白质能做的工作，以及更多的工作。特别是，一些将作为组装分子结构的改进装置，能忍受酸性或真空，冷冻或烘烤。通过不同的设计，这种类似酶的第二代纳米机器将能作为化学家手中的工具去操纵几乎任何反应分子，具有可编程机器的精确性。它们能把原子结合成任何稳定的形态，可以一次一点地把零件加到工件表面直到形成一个复杂结构体。我们可以把这样的纳米机器想象成一个装配工。

　　因为装配工可以让我们把原子按任何合理的顺序排列，它们可以帮我们建造任何自然法则允许存在的东西，特别是，它们可以让我们能按照设计建造任何东西——包括更多的装配工。这导致的结果是意义深远的，因为我们的原始的工具只让我们探索了自然法则允许的可能性的很小一部分。组装机将开创一个新技术的世界。

　　在医药、航天、计算、制造以及军事方面的技术进步——都依赖于我们排列组合原子的能力。通过使用组装机，我们将能重塑我们的世界或者毁灭它。在这点上来说我们应该退后一点以便看清前景，并且能使我们确信组装机和纳米技术不仅仅是个未来的幻影。


　　明确结论

　　在前面我讨论过的所有内容都是基于已被证明的化学和分子生物学事实。但是人们还是会基于根深蒂固的物理学和生物学观念提出某些疑问，对于这些疑问应该给出更直接的回答。

　　“量子力学的不确定性原理会不会使分子机器无法工作？”

　　这条原理说明粒子不能被固定在一个精确的位置，在任何可确定的时间范围内。它限定了分子机器的动作，就象它限定了任何别的事物的动作一样。虽然如此，计算表明不确定性对放置原子来说并不是重要的限制因素，至少对这里概略讨论的目的来说是这样。不确定性原理使电子的位置很模糊，事实上这种模糊决定了原子的真实尺寸和结构。原子作为一个整体来说具有相当明确的位置，而这是由它的相对厚重的原子核决定的。如果原子不能被稳定放置，那么分子将不存在。你不用学过量子力学就可以确信这个结论，因为细胞中的分子机器已经证明了分子机器是可以工作的。 

　　“分子的热振动会使分子机器不能工作或者太不稳定而没有用处吗？”

　　热振动将会引起比不确定性原理更大的问题，然而现存的分子机器仍然证明了分子机器可以在常温下工作。除开热振动不谈，细胞中的DNA复制机制在100，000，000，000次复制中只有不到一次出错。为了达到这样的精度，细胞使用了机器（例如DNA聚合酶）来保证复制以及纠正错误。组装机也需要相似的错误检查和错误纠正机制以达到可靠的结果。

　　“辐射会分解分子机器使它们失去作用吗？”

　　高能射线可以打断化学键从而分解分子机器。活细胞多次显示了此种结果：它们整年地工作来修补和替换被辐射破坏的部分。由于单个分子机器是这样小，以至它们对射线来说太小而很少被击中。当然如果一个纳米机器系统要可靠工作，它必须能容忍一定的破坏，并且被破坏的部件也必须能被有规律地修补和替换。这种达到可靠性的方法被飞机和飞船的设计者所熟知。

　　“由于进化没有产生组装机，是否说明它们是不可能实现的或者是无用的？”

　　前面的问题可以部分地用细胞中工作的分子机器来回答。这是一个简单而有力的案例，证明了自然法则允许一团原子组成可控机器，能建造其它的纳米机器。但是尽管和核糖体有基本的相似性，组装机还是不同于细胞中发现的任何东西，它们做的事——虽然是由普通的分子运动和反应组成——却能带来奇异的结果。例如，没有一种细胞能制造出钻石纤维。

　　新型的纳米机器能带来新的有用的能力的观点可能是令人吃惊的：在几十亿年的进化中，生命从来没有抛弃它对蛋白质机器的基本的信念。是否这就暗示了进步是不可能的？进化是通过微小的改变来完成的，DNA的进化不能简单地取代DNA。由于DNA/RNA/核糖体系统是特别用来制造蛋白质的，生命实际上没有机会发展另外的系统。任何产品经理都会感激这个理由，比工厂更甚，生命不能承受被关闭以便更换旧的系统带来的后果。

　　改进的分子机器也不会比合金钢的强度10倍于骨头，或者铜导线传导信号的速度100万倍于神经传导的速度而更使我们吃惊。汽车比美洲豹跑得快，喷气飞机比猎鹰飞的快，计算机比人心算的快。未来将带给我们生物进化上的更多例子，第二代纳米机器只是其中之一。

　　从物理上来说，为什么先进的组装机能比现存的蛋白质机器做更多的事是显而易见的。它们象核糖体那样可编程，而且可以使用比细胞中的酶更多的工具。因为它们将用比蛋白质更坚硬、更稳定的原料制成，所以能发出更大的力，运动精度更高，以及适应更苛刻的环境。象个工业机械手——而不象任何活细胞中的东西——它们可以在程序控制下在三维空间中旋转和移动分子，使得精确装配复杂物体成为可能。这些优势使它们可以组装形成比活细胞已经制造出来的更多得多的分子结构。

　　“是否生命具有某种魔力，而在实质上使得分子机器工作？”

　　人们可能会怀疑人造的纳米机器是否能和细胞中的纳米机器具有同样的能力，如果有证据表明细胞中存在有某种魔力使之工作的话。这种想法被称为“生机论”，生物学家已经抛弃了它因为他们在活细胞研究的所有方面都找到了化学和物理的解释，包括它们的运动、生长和复制。事实上，这些知识是生物学的基石。

　　纳米机器漂浮在消过毒的试管中，在细胞之外，表现了所有它们在活细胞内表现出的行为。通过化学物质，生化学家建造了能工作的蛋白质机器而不用活细胞的帮助。例如， R. B. Merrifield使用化学技术来组装简单的氨基酸，制成牛胰岛素，一种分解RNA的酶。支配生命的自然法则同样也支配宇宙中其它的事物。

　　“组装机和其他纳米机器的可能性听起来有道理，但是我们为什么不等等看，看它们是否能被发展出来？”

　　纯粹的好奇心可能是检验纳米技术为我们创造的可能性的足够的理由，但是还有更重要的理由。这些进展将会在10到50年内席卷全球——就是说，在我们的一生之内。更甚者，下面的章节的结论将说明等待观望的政策代价将是很昂贵的——可能会搭上几百万人的生命，也可能会结束地球上的生命。

　　是不是纳米技术和组装机的可能性足以引起重视？看起来是这样的，因为这件事的核心是建立在两个确定的科学和工程事实之上的。这就是（1）现存的分子机器提供了很多种基本功能，以及（2）提供这些基本功能的部件可以被连接起来组成复杂的机器。由于化学反应可以把原子按不同方式结合，而且分子机器可以按照程序指令引导化学反应，组装机确实是可行的。

　　
　　纳米计算机

　　组装机将带来的一个显而易见的重要的突破是：工程师们将可以用它们来大幅减小计算机的尺寸和价格并且大大地提高运算速度。 

　　使用目前的体积技术，工程师们通过向硅片喷射原子和光子来形成图案，但是图案是平面的并且分子水平的缺陷是难以避免的。而如果使用组装机，无论如何，工程师们可以在三维空间中建造电路，精确到一个原子。今日的电子技术的精度极限是不确定的因为电子在微小结构中的量子特性带来了复杂问题，一些问题是不确定性原理导致的直接后果。无论它的极限在哪儿，都会由于组装机的使用而被达到。

　　最快的计算机将利用电子效应，但最小的未必如此。这看起来有点奇怪，但是计算的本质却和电子一点关系都没有。一台电子计算机由一堆可以彼此互相开关的开关组成，它的开关开始时是一种组合图案（可能代表2+2）然后彼此开关又形成了另一种图案（代表4），等等。这种图案可以代表几乎任何事物。工程师们用微电路来制造计算机只是因为由电线和杠杆组成的机械开关又大、又慢、又不可靠并且昂贵，按今天的标准来看。

　　制造纯机械计算机的想法不是什么新想法，在十九世纪中叶的英格兰，Charles Babbage 就发明了一台由黄铜齿轮组成的机械计算机，它的合作者Augusta Ada女伯爵，发明了计算机程序，Babbage无休止地重新设计这台机器，制造精度带来的问题、预算监督人的反对意见（一些人怀疑这台计算机有什么用！），使得这台机器最终没有完成。

　　在此影响下，麻省理工学院人工智能实验室的Danny Hillis 和 Brian Silverman建造了一台能玩跳棋的机械计算机，在一边有码尺，充满了旋转轴和活动框架，代表了棋盘的状态和游戏的策略，它现在存于波士顿的计算机博物馆。它看起来像一个巨大的球棍分子模型，因为是用儿童玩具做成的。

　　黄铜齿轮和儿童玩具制成了大而慢的计算机。若使用只有几个原子宽的元件，一台机械计算机体积将只有一立方微米的1/100，比我们现在说的微电路小几十亿倍。一台具有1G字节存储量的机械计算机将能装进一个边长1微米的方盒子里，大约和一个细菌的个头差不多大。但是它会工作得很快，虽然机械信号传导比电信号慢100,000倍，但是它只需要传导1/1,000,000的距离，所以延迟很小。所以一台纯机械计算机将比现在的电子计算机工作的更快。

　　电子纳米计算机将比微型电子计算机快几千倍——也许几十万倍，如果被诺贝尔奖得主理查德·费曼提议的一项计划得以实现的话。通过缩小尺寸来提高速度是电子工业的老套路了。

　　
　　分解机

　　分子计算机将控制分子组装机，为安放巨大数量的原子提供快速的指令流。拥有分子存储装置的纳米计算机也可以存储分解的指令。

　　组装机可以帮助工程师合成物体，它们的亲戚，分解机，将可以帮助科学家和工程师分解物体。组装机是基于象酶和化学反应那样的形成键的机制，而分解机则基于象酶和化学反应那样的打断键的机制，以及由机器控制的处理过程。酶，酸，氧化剂，碱金属，离子以及被称为“自由基”的反应原子团——所有这些都可以打断化学键移走原子团。因为没有什么东西能抵抗侵蚀，所以分子工具也可以使任何东西分离，一次一些原子。更进一步的，纳米机器将同样地使用机械力把一团原子撬开。

　　可以做上述工作，同时一层一层记录下它去掉了些什么的纳米机器就是分解机。组装机，分解机，和纳米计算机将在一起工作。例如，一台纳米计算机将能指导分解一个物体，记录下它的结构然后指导组装机实现完美的拷贝，这暗示了纳米技术的威力。

　　
　　创造新事物的世界

　　组装机将要过些年才能出现，但它们的出现看起来是不可避免的：虽然通向组装机的路径还有很多步要走，但每一步都在接近，并且每一步都会立刻带来回报。第一步已经迈出，顶着“基因工程”和“生物技术”的名头。其他通向组装机的途径也显示了可能性。除非世界毁灭或者世界被完全控制，技术竞赛将持续下去，不管我们愿不愿意。随着计算机辅助设计加速分子工具的发展，组装机方向的进展也将加速。

　　为了获得理解未来的希望，我们必须先理解组装机，分解机和纳米计算机。它们肯定能带来意义深远的改变，就象工业革命，抗生素和核武器都带来了巨大的突破一样。为了理解未来的意义深远的变化，探寻在过去的巨变中幸存下来的法则是有意义的。它们将提供有用的指导。 

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