納米計(jì)算機(jī)與納米技術(shù)-全文預(yù)覽
【正文】 個(gè)小分子。他們能造的最大的復(fù)雜分子只是一些線性長(zhǎng)鏈?！ 〈送?，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。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。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。酶顯示了這種方法：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。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。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。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。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。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)。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(xiě)的那樣：“計(jì)算機(jī)象棋程序已經(jīng)達(dá)到了特級(jí)大師的水平，也許蛋白質(zhì)折疊問(wèn)題的解決會(huì)比我們想象的要快。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)。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。通過(guò)使用基因機(jī)器來(lái)寫(xiě)DNA磁帶，它們可以指導(dǎo)細(xì)胞建造任何他們?cè)O(shè)計(jì)出來(lái)的蛋白質(zhì)?！ 〉鞍踪|(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。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。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)。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）。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。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)桿來(lái)移動(dòng)和改變它們的形狀。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。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。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?！ ∵@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。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)。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。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。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(pán)繞?？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)。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?！狈肿訖C(jī)器很適合此定義?！ ∥㈦娐凡糠值赜梦⒚讈?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）。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?！ ∥覀儸F(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。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?！ ∥覀兣帕薪M合原子的能力取決于我們的技術(shù)基礎(chǔ)。23 / 24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。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。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。3萬(wàn)年前，石片切削是當(dāng)時(shí)的高技術(shù)。他們煉出了鐵，然后是鋼，用加熱、鍛打、切削的方法使之成型?！ ∥覀兊奈㈦娮蛹夹g(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。它將在很多方面超出我們想象地改變我們的世界?！ 〗袢盏姆肿蛹夹g(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。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)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。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。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。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?！ ≡诂F(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），
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