納米計(jì)算機(jī)與納米技術(shù)

PAGE33/NUMPAGES34第一部展望的基礎(chǔ)

第一章建筑的發(fā)動(dòng)機(jī)

蛋白質(zhì)工程……同意我們一個(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。

——KEVINULMER（基因探究性研究公司董事長）

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)致了廉價(jià)和貴重，疾病和健康的顯著區(qū)不。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奇空氣；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)。我們在原子排列的路上差不多走了專門長時(shí)刻了，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)而驕傲。然而我們的飛船依舊專門粗糙，我們的電腦依舊專門笨，我們軀體組織里的分子依舊會變得無序，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操作。

然而自然的法則為進(jìn)展留出了足夠的空間，同時(shí)全球競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！

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，然而我們?nèi)匀皇褂缅懘?、切削等的方法來使它們成型。我們煉制純硅，把它們切成薄片，用紫外線通過模板在它們的表面蝕刻圖案。我們把完成的產(chǎn)品叫做芯片同時(shí)認(rèn)為它們極其精細(xì)，至少和斧頭比起來是如此。

我們的微電子技術(shù)的進(jìn)展差不多使得計(jì)算機(jī)從1950年代的塞滿整個(gè)房間的大伙兒伙縮小到了能夠放在口袋里的地步。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)來講可能算小，然而其每個(gè)晶體管仍然由1012個(gè)原子組成，因此所謂的微型電腦仍然是肉眼可見的，而按照更新的更有威力的技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)來看它們就象是巨人。

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)作一大堆來使用；稱作“體積技術(shù)”，新形式的技術(shù)將精確地操縱單個(gè)的原子和分子；稱作“分子技術(shù)”。它將在專門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度量——確實(shí)是講一米的百萬分之一，而分子要用納米來度量（再小1000倍）。我們能夠使用“納米技術(shù)”和“分子技術(shù)”來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)

在一本字典里如此定義機(jī)器“一種系統(tǒng)，通常有剛性的主體，連接成型以便按預(yù)先定好的方式改變、傳輸、引導(dǎo)力來實(shí)現(xiàn)特定的目標(biāo)，諸如做有用的工作?！狈肿訖C(jī)器專門適合此定義。

要想象如此的機(jī)器，你必須先有分子的形象。我們能夠把原子想象為一個(gè)珠子而分子是一團(tuán)珠子，就像小孩玩的由按扣連起來的珠子。事實(shí)上，化學(xué)家們確實(shí)有時(shí)也用塑料球建筑分子模型。原子是圓形的象球，盡管分子鍵并不是按扣，但我們的圖像至少抓住了分子鍵能夠被打斷和重連接的差不多概念。

假如一個(gè)原子象一個(gè)小彈球那么大，一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的分子就會像你的拳頭那么大。如此的想象對我們特不有用，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。（原子核是原子自軀體積的1/100000；原子和原子核的差不，就像一團(tuán)火和一次核反應(yīng)之間的差不）

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姆肿幽軌蜃杂梢苿?dòng)，在開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)，因此水在變形的同時(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幽軌蚧ハ嗷瑒?dòng)同時(shí)又保持聯(lián)系。玻璃在錘擊下會破裂是因?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)拉長和放開后，它的分子也被拉直和重新盤繞。這些簡單分子結(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)家差不多在利用這些機(jī)器，要緊是蛋白質(zhì)，蛋白質(zhì)也是活細(xì)胞的要緊構(gòu)成材料。這些分子機(jī)器由相對少的原子組成，因此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)專門多對原子之間的鍵能夠被彎曲和旋轉(zhuǎn)，因此蛋白質(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)器僅僅是使用了專門小的一堆原子。

生化學(xué)家夢想能設(shè)計(jì)和制造如此的裝置，然而有專門多困難要克服。工程師們用光束在硅片表面上蝕刻，而化學(xué)家們要做的比這苦惱的多。假如他們想要組成不同的分子，他們只能有限地操縱分子的結(jié)合。當(dāng)生化學(xué)家需要復(fù)雜的分子機(jī)器時(shí)，他們依舊不得不從細(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，基因工程師們建筑了更規(guī)則的聚合體——專門的DNA分子——通過按特定的順序組合分子，這些分子確實(shí)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預(yù)備好能夠加入下一個(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。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，通過這種方法，他們用一個(gè)大而笨的機(jī)器合成了一個(gè)比它自己小一億倍的專門的分子結(jié)構(gòu)。

然而這種“盲打”操作有時(shí)會丟失鏈條上的核苷酸，隨著鏈條的增長，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，基因工程師也通過拋棄壞鏈條來減少錯(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），他們將使用在細(xì)菌中發(fā)覺的分子機(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，他們通過碰觸，然后粘在上面來讀此信息，并通過重新排列一些原子來剪斷鏈條。其他的酶通過讀取“粘這兒”的信息把剪下來的片斷結(jié)合到一起，過程與剪斷類似，只是通過重新排列原子把不同的片斷結(jié)合起來。通過用基因合成機(jī)器寫，用限制酶剪切和粘合，基因工程師們能夠?qū)懭牒途庉嬋魏嗡鼈兿胍腄NA信息。

就DNA本身來講，它是一種無用的分子，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，更不象酶那么爽朗，然而它有某種特質(zhì)使得工業(yè)上情愿花成百萬的美元來獲得：這確實(shí)是能夠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，然后專門象早期的靠紙帶上記錄的信息來操縱加工的數(shù)控機(jī)床，核糖體通過讀RNA鏈上的信息來合成蛋白質(zhì)，而蛋白質(zhì)是特不有用的。

核糖體（圖中央的綠色土豆?fàn)钗矬w）通過讀取RNA分子（圖中那串黃色的珠子）上的信息來合成蛋白質(zhì)長鏈（紫色長鏈）

蛋白質(zhì)，象DNA一樣，也是由一堆珠子串成的鏈，然而又不象DNA，蛋白質(zhì)分子折疊起來形成能夠做點(diǎn)情況的小團(tuán)團(tuán)。一些稱為酶，建筑和分解分子的機(jī)器（以及復(fù)制DNA，建筑生命循環(huán)所需的其他蛋白質(zhì)），其他蛋白質(zhì)稱為激素，作為信號來使細(xì)胞改變它們的行為?；蚬こ處焸兡軌蛲ㄟ^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汲取化學(xué)物質(zhì)，小心地重排原子，把產(chǎn)品存儲起來或者排放到它們周圍的液體中。

基因工程師們現(xiàn)在能夠通過為細(xì)菌編程來生產(chǎn)從人的生長荷爾蒙到RENNIN，一種制造干酪的酶。一家叫Elililly的藥物公司現(xiàn)在向市場供應(yīng)Humulin，由細(xì)菌生產(chǎn)的人類胰島素分子。

現(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。酶能夠改變目標(biāo)的結(jié)構(gòu)，然后移開；激素僅僅在和目標(biāo)結(jié)合時(shí)才改變其屬性。激素和酶能夠用機(jī)械術(shù)語來描述，然而它們更經(jīng)常地被用化學(xué)術(shù)語來描述。

其它的一些蛋白質(zhì)執(zhí)行差不多的機(jī)械功能，一些能夠推和拉，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，然后松開為下一次抓握作好預(yù)備；不管何時(shí)只要你運(yùn)動(dòng)，你就在使用這些機(jī)器。阿米巴變形蟲和人類細(xì)胞通過使用分子構(gòu)成的類似于“肌肉”和“骨骼”的纖維和長桿來移動(dòng)和改變它們的形狀。一臺可反轉(zhuǎn)的，可變速的馬達(dá)通過旋轉(zhuǎn)螺絲錐形的螺旋槳來驅(qū)動(dòng)細(xì)菌在水中潛行。假如某位愛好者用此馬達(dá)制作了一部微小的汽車，那么你的口袋里能夠放下1018個(gè)這種小車，同時(shí)在你的毛細(xì)血管里能夠?yàn)樗ㄖ粭l150車道的高速公路。

簡單的分子裝置能夠結(jié)合起來形成系統(tǒng)就象工業(yè)機(jī)器一樣。在1950年代工程師們開發(fā)了用穿孔紙帶操縱的金屬加工機(jī)床。一個(gè)半世紀(jì)往常，Joseph-MarieJacquard建筑了一臺織布機(jī)，在一串穿孔卡片的操縱下它能夠編織復(fù)雜的圖案。在Jacquard之前30億年，細(xì)胞差不多進(jìn)化出了核糖體機(jī)器，它們證明了納米機(jī)器能夠由蛋白質(zhì)構(gòu)成同時(shí)通過RNA的編程能夠制造復(fù)雜的分子。

T4噬菌體

現(xiàn)在我們來看看病毒，其中的一種叫T4噬菌體，工作起來象一個(gè)彈簧驅(qū)動(dòng)的注射器，其形狀在任何工業(yè)手冊上都找不到類似物。它會粘附到一個(gè)細(xì)菌表面，打個(gè)洞，然后把自己的DNA注射到里面去（是的，即使細(xì)菌也得遭受打針之苦）。就象制服者奪取工廠為他們生產(chǎn)坦克一樣，這些DNA會指導(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)定同時(shí)善于獲得它們自己的復(fù)制品。

不管是否在細(xì)胞內(nèi)部，納米機(jī)器都遵守自然的普遍法則。一般的化學(xué)鍵將它們的原子連接到一起，一般的化學(xué)反應(yīng)（由其他納米機(jī)器引導(dǎo)）把它們組裝起來。蛋白質(zhì)分子甚至能夠不用額外輔助就能夠連接并成形，僅僅由熱運(yùn)動(dòng)和化學(xué)力驅(qū)動(dòng)。同過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)家差不多合成了能夠工作的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)候你就看到了一臺組裝好了的汽車！而T4病毒僅僅是許多自組裝結(jié)構(gòu)的一種。分子生物學(xué)家差不多把核糖體分解成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，我們能夠想象不同的T4蛋白質(zhì)鏈漂移在水中，每種都折疊纏繞成專門的團(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)推來擠去。一次又一次地撞到一起又被撞開，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組裝復(fù)雜的納米機(jī)器，然而微小的操縱器依舊有用的和應(yīng)該被制造的。和今日的工程師們用一般馬達(dá)、軸承和動(dòng)作部件來制造機(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)作部件來組裝成機(jī)械手以便能夠操縱單個(gè)分子。

蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)

如此的能力離我們有多遠(yuǎn)？現(xiàn)在差不多上路了，然而還有專門多工作要做。生化學(xué)家們差不多畫出了專門多蛋白質(zhì)的結(jié)構(gòu)。通過使用基因機(jī)器來寫DNA磁帶，它們能夠指導(dǎo)細(xì)胞建筑任何他們設(shè)計(jì)出來的蛋白質(zhì)。然而他們?nèi)匀徊幻靼兹绾问沟鞍踪|(zhì)鏈條折疊成正確的形狀來完成特定功能。折疊蛋白質(zhì)的力是弱的，而蛋白質(zhì)鏈能夠折疊的形式卻是個(gè)天文數(shù)字，因此設(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)鏈通過特定的方式折疊形成專門的形狀。生物化學(xué)家差不多學(xué)到了一些關(guān)于氨基酸鏈如何折疊的規(guī)律，然而這些規(guī)律還不是專門確定，嘗試預(yù)測一條氨基酸鏈如何折疊就象解一道七巧板難題，同時(shí)沒有可見的形狀讓你明白拼圖是否是正確的，每個(gè)小塊都有專門多種方式與不的小塊結(jié)合，然而除了一種之外其他的結(jié)合方式差不多上錯(cuò)誤的。錯(cuò)誤的開始會白費(fèi)專門多寶貴的時(shí)刻，同時(shí)正確的答案我們又幾乎不能識不，生化學(xué)家使用了當(dāng)前能得到最好的計(jì)算軟件依舊不能預(yù)測一條自然的蛋白質(zhì)長鏈?zhǔn)侨绾握郫B的，一些人甚至差不多對設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)分子無望了。

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)測一條自然的蛋白質(zhì)鏈如何折疊，而不是設(shè)計(jì)一條能夠按預(yù)測方式折疊的蛋白質(zhì)鏈，這聽起來是相似的，然而實(shí)際上有專門大差不：首先是科學(xué)上的挑戰(zhàn)，其次是工程上的挑戰(zhàn)。什么緣故自然的蛋白質(zhì)鏈要按照科學(xué)家容易預(yù)測的方式折疊？它們會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。

能夠從開始設(shè)計(jì)蛋白質(zhì)時(shí)就按照使它們的折疊專門容易預(yù)測的目標(biāo)來設(shè)計(jì)。CarlPabo，自然雜志的專欄作家，差不多提出了一個(gè)基于那個(gè)策略的設(shè)計(jì)方法，一些生化學(xué)家也差不多設(shè)計(jì)和建筑了具有幾十個(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)在能夠從頭開始設(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)測的途徑改變它們的行為。我們對蛋白質(zhì)的認(rèn)識正在與日俱進(jìn)。

在1959年，按生化學(xué)家GarrettHardin的講法，一些基因?qū)W家聲稱基因工程是不可能的；而今天，它差不多形成產(chǎn)業(yè)。生化學(xué)家和計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)開始探究新的領(lǐng)域，就象FrederickBlattner在科學(xué)雜志上寫的那樣：“計(jì)算機(jī)象棋程序差不多達(dá)到了特級大師的水平，也許蛋白質(zhì)折疊問題的解決會比我們想象的要快。”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?！?/p>

美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室的ForrestCarter，IBM的AriAviram和PhilipSeiden，Genex公司的KevinUlmer，以及其他分布在全球的大學(xué)和工業(yè)實(shí)驗(yàn)室里的研究者們差不多開始進(jìn)行理論性的工作和試驗(yàn)，目標(biāo)是進(jìn)展分子開關(guān)、存儲裝置以及其他結(jié)構(gòu)以便組成蛋白質(zhì)計(jì)算機(jī)。美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室擁有兩個(gè)國際性的車間制造分子電子裝置，一個(gè)由美國國家科學(xué)基金會贊助的會議建議支持開發(fā)分子計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)性研究。據(jù)聞日本差不多開始了一個(gè)數(shù)百萬美元的打算開發(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：“看起來生物芯片（分子電子系統(tǒng)的另一種叫法）的競賽差不多開始。NEC，日立，東芝，Matsushita，富士，三洋和夏普差不多開始全面地進(jìn)行生物芯片和生物計(jì)算機(jī)的研究?！?/p>

生物化學(xué)家有另外的理由來學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)設(shè)計(jì)的藝術(shù)。新的酶確信能夠使骯臟、昂貴的化學(xué)處理變得更廉價(jià)和更潔凈，同時(shí)奇妙的蛋白質(zhì)也為生化學(xué)家提供了一個(gè)更寬敞的工具選擇范圍。他們差不多走上了蛋白質(zhì)工程之路，就象本章開頭引用的KevinUlmer的話講的那樣，這條路將帶我們“走向一條能夠讓我們獲得一個(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?！?/p>

第二代納米技術(shù)

盡管具有多功能性，蛋白質(zhì)作為工程材料來講也有缺點(diǎn)。蛋白質(zhì)機(jī)器在干燥的環(huán)境下會不工作，冷凍時(shí)會凝固，加熱時(shí)會失效。我們并不用肌肉，頭發(fā)和膠水來制造機(jī)器，幾個(gè)世紀(jì)以來，我們用由我們的肌肉和骨骼組成的手來制造由木頭、陶瓷、鋼鐵和塑料組成的機(jī)器。我們在今后仍將這么做。我們用蛋白質(zhì)機(jī)器來制造由比蛋白質(zhì)更堅(jiān)硬的材料組成的納米機(jī)器。

隨著納米技術(shù)的進(jìn)展超越了對蛋白質(zhì)的依靠后，從一個(gè)工程師的角度來看，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。就象一般工具能夠把零件組裝成一般機(jī)器一樣，分子工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，然而工程師們能夠使用這些粗糙的部件，假如他們有光滑的軸承的話。專門方便地，一些原子間的結(jié)合力形成了專門好的軸承；一個(gè)部件能夠被一個(gè)簡單的化學(xué)鍵托起同時(shí)能夠自由地光滑地旋轉(zhuǎn)。由于一個(gè)軸承能夠由僅僅兩個(gè)原子構(gòu)成（因此運(yùn)動(dòng)部件能夠僅僅由數(shù)個(gè)原子組成），納米機(jī)器的確能夠擁有分子尺寸上的機(jī)械零件。

我們將如何樣制造這些更好的機(jī)器？一直以來，工程師們利用技術(shù)本身來改進(jìn)技術(shù)。他們用金屬工具來切削金屬制成更好的工具，用計(jì)算機(jī)來設(shè)計(jì)更好的計(jì)算機(jī)。他們也一樣會用蛋白質(zhì)納米機(jī)器來制造更好的納米機(jī)器。酶顯示了這種方法：它們通過從周圍的水中抓取小分子并把它們放到一起形成鍵來組裝大分子。酶通過這種方法來組裝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，將制造新的酶來組裝新的原子結(jié)構(gòu)。例如，他們可能制造一種象酶一樣的機(jī)器，它能夠把碳原子連接在一點(diǎn)上，一層又一層的壘起來。假如連接正確的話，原子將會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)來成噸地買如此的纖維去造性能先進(jìn)的復(fù)合材料。（這顯示了軍事競賽將會推動(dòng)分子技術(shù)的一個(gè)小緣故，就象在過去它推動(dòng)了許多領(lǐng)域一樣）。

當(dāng)?shù)鞍踪|(zhì)機(jī)器能夠建筑比纖維更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時(shí)就意味著偉大的進(jìn)步立即到來。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?，F(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)在沒有納米機(jī)器引導(dǎo)分子的情況下也能夠產(chǎn)生顯著的結(jié)果?；瘜W(xué)家不能操縱液體中的分子碰撞，因此分子任意地起反應(yīng)，僅取決于它們?nèi)绾谓Y(jié)合，然而他們?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)器將具有形成鍵的多功能性，因?yàn)樗鼈兡芾檬煜さ姆肿舆\(yùn)動(dòng)來形成鍵，同時(shí)能引導(dǎo)這些運(yùn)動(dòng)，而這是化學(xué)家做不到的。

因此，由于化學(xué)家還不能引導(dǎo)分子運(yùn)動(dòng)，他們專門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，因此他們能夠確信下一個(gè)會連到正確的位置上。

然而假如面對一個(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)家又如何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，然而蛋白質(zhì)機(jī)器是有選擇性的。

一個(gè)可變形的可編程的蛋白質(zhì)機(jī)器能夠抓住一個(gè)大分子（工件）同時(shí)又相應(yīng)地在對應(yīng)的位置抓住一個(gè)小分子。象一個(gè)酶那樣它會把兩個(gè)分子結(jié)合起來。通過結(jié)合一個(gè)又一個(gè)的分子到工件上，機(jī)器會組裝出越來越大的結(jié)構(gòu)體同時(shí)保持對結(jié)合到主體上的原子的完全操縱。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，它們能夠操縱更多種小分子（不僅是氨基酸分子）同時(shí)能夠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)器因此能夠集中酶的分解與結(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)器卻能夠建筑組成金屬、陶瓷或鉆石的微小的固體塊——小到看不見，然而卻是粗糙的。

因?yàn)槲覀兊氖种溉菀妆徊羵驙C傷，因此我們制造了鋼鉗，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。特不是，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)，能夠一次一點(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。我們能夠把如此的納米機(jī)器想象成一個(gè)裝配工。

因?yàn)檠b配工能夠讓我們把原子按任何合理的順序排列，它們能夠幫我們建筑任何自然法則同意存在的東西，特不是，它們能夠讓我們能按照設(shè)計(jì)建筑任何東西——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嫉墓ぞ咧蛔屛覀兲骄苛俗匀环▌t同意的可能性的專門小一部分。組裝機(jī)將開創(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——都依靠于我們排列組合原子的能力。通過使用組裝機(jī)，我們將能重塑我們的世界或者毀滅它。在這點(diǎn)上來講我們應(yīng)該退后一點(diǎn)以便看清前景，同時(shí)能使我們確信組裝機(jī)和納米技術(shù)不僅僅是個(gè)以后的幻影。

明確結(jié)論

在前面我討論過的所有內(nèi)容差不多上基于已被證明的化學(xué)和分子生物學(xué)事實(shí)。然而人們依舊會基于根深蒂固的物理學(xué)和生物學(xué)觀念提出某些疑問，關(guān)于這些疑問應(yīng)該給出更直接的回答。

“量子力學(xué)的不確定性原理會可不能使分子機(jī)器無法工作？”

這條原理講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)刻范圍內(nèi)。它限定了分子機(jī)器的動(dòng)作，就象它限定了任何不的事物的動(dòng)作一樣。盡管如此，計(jì)算表明不確定性對放置原子來講并不是重要的限制因素，至少對那個(gè)地點(diǎn)概略討論的目的來講是如此。不確定性原理使電子的位置專門模糊，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)整體來講具有相當(dāng)明確的位置，而這是由它的相對厚重的原子核決定的。假如原子不能被穩(wěn)定放置，那么分子將不存在。你不用學(xué)過量子力學(xué)就能夠確信那個(gè)結(jié)論，因?yàn)榧?xì)胞中的分子機(jī)器差不多證明了分子機(jī)器是能夠工作的。

“分子的熱振動(dòng)會使分子機(jī)器不能工作或者太不穩(wěn)定而沒有用處嗎？”

熱振動(dòng)將會引起比不確定性原理更大的問題，然而現(xiàn)存的分子機(jī)器仍然證明了分子機(jī)器能夠在常溫下工作。除開熱振動(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)到如此的精度，細(xì)胞使用了機(jī)器（例如DNA聚合酶）來保證復(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。

“輻射會分解分子機(jī)器使它們失去作用嗎？”

高能射線能夠打斷化學(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)器是如此小，以至它們對射線來講太小而專門少被擊中。因此假如一個(gè)納米機(jī)器系統(tǒng)要可靠工作，它必須能容忍一定的破壞，同時(shí)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。

“由于進(jìn)化沒有產(chǎn)生組裝機(jī)，是否講明它們是不可能實(shí)現(xiàn)的或者是無用的？”

前面的問題能夠部分地用細(xì)胞中工作的分子機(jī)器來回答。這是一個(gè)簡單而有力的案例，證明了自然法則同意一團(tuán)原子組成可控機(jī)器，能建筑其它的納米機(jī)器。然而盡管和核糖體有差不多的相似性，組裝機(jī)依舊不同于細(xì)胞中發(fā)覺的任何東西，它們做的事——盡管是由一般的分子運(yùn)動(dòng)和反應(yīng)組成——卻能帶來奇異的結(jié)果。例如，沒有一種細(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，生命從來沒有拋棄它對蛋白質(zhì)機(jī)器的差不多的信念。是否這就暗示了進(jìn)步是不可能的？進(jìn)化是通過微小的改變來完成的，DNA的進(jìn)化不能簡單地取代DNA。由于DNA/RNA/核糖體系統(tǒng)是特不用來制造蛋白質(zhì)的，生命實(shí)際上沒有機(jī)會進(jìn)展另外的系統(tǒng)。任何產(chǎn)品經(jīng)理都會感激那個(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)帶來的后果。

改進(jìn)的分子機(jī)器也可不能比合金鋼的強(qiáng)度10倍于骨頭，或者銅導(dǎo)線傳導(dǎo)信號的速度100萬倍于神經(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。以后將帶給我們生物進(jìn)化上的更多例子，第二代納米機(jī)器只是其中之一。

從物理上來講，什么緣故先進(jìn)的組裝機(jī)能比現(xiàn)存的蛋白質(zhì)機(jī)器做更多的事是顯而易見的。它們象核糖體那樣可編程，而且能夠使用比細(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，因此能發(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——它們能夠在程序操縱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)勢使它們能夠組裝形成比活細(xì)胞差不多制造出來的更多得多的分子結(jié)構(gòu)。

“是否生命具有某種魔力，而在實(shí)質(zhì)上使得分子機(jī)器工作？”

人們可能會懷疑人造的納米機(jī)器是否能和細(xì)胞中的納米機(jī)器具有同樣的能力，假如有證據(jù)表明細(xì)胞中存在有某種魔力使之工作的話。這種方法被稱為“生機(jī)論”，生物學(xué)家差不多拋棄了它因?yàn)樗麄冊诨罴?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)、生長和復(fù)制。事實(shí)上，這些知識是生物學(xué)的基石。

納米機(jī)器漂移在消過毒的試管中，在細(xì)胞之外，表現(xiàn)了所有它們在活細(xì)胞內(nèi)表現(xiàn)出的行為。通過化學(xué)物質(zhì)，生化學(xué)家建筑了能工作的蛋白質(zhì)機(jī)器而不用活細(xì)胞的關(guān)心。例如，R.B.Merrifield使用化學(xué)技術(shù)來組裝簡單的氨基酸，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。

“組裝機(jī)和其他納米機(jī)器的可能性聽起來有道理，然而我們什么緣故不等等看，看它們是否能被進(jìn)展出來？”

純粹的好奇心可能是檢驗(yàn)納米技術(shù)為我們制造的可能性的足夠的理由，然而還有更重要的理由。這些進(jìn)展將會在10到50年內(nèi)席卷全球——確實(shí)是講，在我們的一生之內(nèi)。更甚者，下面的章節(jié)的結(jié)論將講明等待觀望的政策代價(jià)將是專門昂貴的——可能會搭上幾百萬人的生命，也可能會結(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？看起來是如此的，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。這確實(shí)是（1）現(xiàn)存的分子機(jī)器提供了專門多種差不多功能，以及（2）提供這些差不多功能的部件能夠被連接起來組成復(fù)雜的機(jī)器。由于化學(xué)反應(yīng)能夠把原子按不同方式結(jié)合，而且分子機(jī)器能夠按照程序指令引導(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)將帶來的一個(gè)顯而易見的重要的突破是：工程師們將能夠用它們來大幅減小計(jì)算機(jī)的尺寸和價(jià)格同時(shí)大大地提高運(yùn)算速度。

使用目前的體積技術(shù)，工程師們通過向硅片噴射原子和光子來形成圖案，然而圖案是平面的同時(shí)分子水平的缺陷是難以幸免的。而假如使用組裝機(jī)，不管如何，工程師們能夠在三維空間中建筑電路，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)中的量子特性帶來了復(fù)雜問題，一些問題是不確定性原理導(dǎo)致的直接后果。不管它的極限在哪兒，都會由于組裝機(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。這看起來有點(diǎn)驚奇，然而計(jì)算的本質(zhì)卻和電子一點(diǎn)關(guān)系都沒有。一臺電子計(jì)算機(jī)由一堆能夠彼此互相開關(guān)的開關(guān)組成，它的開關(guān)開始時(shí)是一種組合圖案（可能代表2+2）然后彼此開關(guān)又形成了另一種圖案（代表4），等等。這種圖案能夠代表幾乎任何事物。工程師們用微電路來制造計(jì)算機(jī)只是因?yàn)橛呻娋€和杠桿組成的機(jī)械開關(guān)又大、又慢、又不可靠同時(shí)昂貴，按今天的標(biāo)準(zhǔn)來看。

制造純機(jī)械計(jì)算機(jī)的方法不是什么新方法，在十九世紀(jì)中葉的英格蘭，CharlesBabbage就發(fā)明了一臺由黃銅齒輪組成的機(jī)械計(jì)算機(jī)，它的合作者AugustaAda女伯爵，發(fā)明了計(jì)算機(jī)程