納米計算機與納米技術(shù)(編輯修改稿)
2025-08-27 00:27 本頁面
【文章內(nèi)容簡介】 ，但是這些規(guī)律還不是很確定，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，并且沒有可見的形狀讓你知道拼圖是否是正確的，每個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)合方式都是錯誤的。錯誤的開始會浪費很多寶貴的時間，并且正確的答案我們又幾乎不能識別，生化學(xué)家使用了當前能得到最好的計算軟件還是不能預(yù)測一條自然的蛋白質(zhì)長鏈是如何折疊的，一些人甚至已經(jīng)對設(shè)計蛋白質(zhì)分子絕望了?！ 〗^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)計一條可以按預(yù)測方式折疊的蛋白質(zhì)鏈，這聽起來是相似的，但是實際上有很大差別：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?！ 】梢詮拈_始設(shè)計蛋白質(zhì)時就按照使它們的折疊很容易預(yù)測的目標來設(shè)計。Carl Pabo，自然雜志的專欄作家，已經(jīng)提出了一個基于這個策略的設(shè)計方法，一些生化學(xué)家也已經(jīng)設(shè)計和建造了具有幾十個氨基酸的短鏈然后按照設(shè)計好的方式折疊和安置在其它分子的表面。他們現(xiàn)在可以從頭開始設(shè)計一種蛋白質(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)的認識正在與日俱進?！ ≡?959 年，按生化學(xué)家Garrett Hardin的說法，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)家和計算機輔助設(shè)計開始探索新的領(lǐng)域，就象Frederick Blattner在科學(xué)雜志上寫的那樣：“計算機象棋程序已經(jīng)達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William Rastetter在“應(yīng)用生化技術(shù)”上寫道：“新酶的設(shè)計和合成還要多久？10，15年？”他答道，“也許不需要那么久?！薄 ∶绹＼娧芯繉嶒炇业腇orrest 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學(xué)和工業(yè)實驗室里的研究者們已經(jīng)開始進行理論性的工作和試驗，目標是發(fā)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)計算機。美國海軍研究實驗室擁有兩個國際性的車間制造分子電子裝置，一個由美國國家科學(xué)基金會贊助的會議建議支持開發(fā)分子計算機的基礎(chǔ)性研究。據(jù)聞日本已經(jīng)開始了一個數(shù)百萬美元的計劃開發(fā)具有自組裝能力的分子馬達和計算機。VLSI研究公司的報告中寫道：“看起來生物芯片（分子電子系統(tǒng)的另一種叫法）的競賽已經(jīng)開始。NEC，日立，東芝，Matsushita，富士，三洋和夏普已經(jīng)開始全面地進行生物芯片和生物計算機的研究?！薄 ∩锘瘜W(xué)家有另外的理由來學(xué)習(xí)蛋白質(zhì)設(shè)計的藝術(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，就象本章開頭引用的Kevin Ulmer的話說的那樣，這條路將帶我們“走向一條可以讓我們獲得一個原子一個原子地構(gòu)成物質(zhì)的更通用能力的分子工程之路。” 第二代納米技術(shù) 雖然具有多功能性，蛋白質(zhì)作為工程材料來說也有缺點。蛋白質(zhì)機器在干燥的環(huán)境下會不工作，冷凍時會凝固，加熱時會失效。我們并不用肌肉，頭發(fā)和膠水來制造機器，幾個世紀以來，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器。我們在將來仍將這么做。我們用蛋白質(zhì)機器來制造由比蛋白質(zhì)更堅硬的材料組成的納米機器?！ ‰S著納米技術(shù)的發(fā)展超越了對蛋白質(zhì)的依賴后，從一個工程師的角度來看，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。就象普通工具可以把零件組裝成普通機器一樣，分子工具把分子組裝在一起形成微小的齒輪、馬達、杠桿、外殼然后把它們組合成復(fù)雜的機器?！ ≈缓袔讉€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；一個部件可以被一個簡單的化學(xué)鍵托起并且可以自由地光滑地旋轉(zhuǎn)。由于一個軸承可以由僅僅兩個原子構(gòu)成（因此運動部件可以僅僅由數(shù)個原子組成），納米機器的確可以擁有分子尺寸上的機械零件。 我們將怎樣制造這些更好的機器？一直以來，工程師們利用技術(shù)本身來改進技術(shù)。他們用金屬工具來切削金屬制成更好的工具，用計算機來設(shè)計更好的計算機。他們也一樣會用蛋白質(zhì)納米機器來制造更好的納米機器。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器，它可以把碳原子連接在一點上，一層又一層的壘起來。如果連接正確的話，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度高50倍。宇航工程公司將排著隊來成噸地買這樣的纖維去造性能先進的復(fù)合材料。（這顯示了軍事競賽將會推動分子技術(shù)的一個小原因，就象在過去它推動了許多領(lǐng)域一樣）?！ ‘?shù)鞍踪|(zhì)機器可以建造比纖維更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)時就意味著偉大的進步即將到來。這些可編程的蛋白質(zhì)機器將象由RNA編程的核糖體，或者老一代紙帶編程的自動機床那樣工作。它們將開創(chuàng)一個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)計和制造納米機器?！ 」こ痰鞍踪|(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，有機化學(xué)家顯示了化學(xué)反應(yīng)在沒有納米機器引導(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)。分子機器將具有形成鍵的多功能性，因為它們能利用熟悉的分子運動來形成鍵，并且能引導(dǎo)這些運動，而這是化學(xué)家做不到的。
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