Эрик Дрекслер - Безграничное будущее: нанотехнологическая революция

Огромная технологическая база для молекулярного строительства уже существует. Инструменты, первоначально разработанные биохимиками и биотехнологами для работы с молекулярными машинами, обнаруженными в природе, могут быть перенаправлены на создание новых молекулярных машин. Опыт, накопленный химиками за более чем столетнюю историю устойчивого развития, будет иметь решающее значение в молекулярном проектировании и строительстве. Обе дисциплины обычно обрабатывают молекулы миллиардами и заставляют их формировать шаблоны путем самосборки. Биохимики, в частности, могут начать с копирования природных объектов.

Молекулярные стратегии строительных блоков могут работать вместе со стратегиями проксимальных зондов или могут заменить их, перейдя непосредственно к построению большого количества молекулярных машин. В любом случае, белковые молекулы, вероятно, будут играть центральную роль, как и в природе.

Белки могут самостоятельно собираться в рабочие молекулярные машины, объекты, которые выполняют какую-нибудь функцию, например, режут и соединяют другие молекулы или заставляют мышцы сокращаться. Они также соединяются с другими молекулами, образуя огромные сборки, такие как рибосома (размером примерно со стиральную машину, с точки зрения нашего моделирования). Рибосомы — программируемые машины для производства белков — являются самым близким подходом природы к молекулярному ассемблеру. Индустрия генной инженерии в основном занимается перепрограммированием природных наномашин, рибосом, чтобы производить новые белки или сделать знакомые белки более дешевыми. Проектирование новых белков называется белковой инженерией. Поскольку биомолекулы уже образуют такие сложные устройства, легко видеть, что передовая белковая инженерия может быть использована для создания наномашин первого поколения.

Создание белков проще, чем их проектирование. Химики начали с изучения белков, обнаруженных в природе, и только недавно перешли к проблеме разработки новых. Они называются de novo белки, то есть совершенно новые, сделанные с нуля. Проектирование белков трудно из-за того, как они построены. Как объясняет Билл Деградо, химик, занимающийся белками в компании «Du Pont»: «Характерной чертой белков является то, что их активность зависит от их трехмерных структур. Эти действия могут варьироваться от гормонального действия до функции пищеварения или метаболизма. Независимо от их функции, они имеют определенную трехмерную структуру». Эта трехмерная структура образуется, когда цепь собирается, формируя компактный молекулярный объект. Чтобы понять, насколько сложно предсказать естественное сворачивание белковой цепи, представьте себе прямой кусок шнура с сотнями магнитов и липкими узлами по его длине. В этом случае легко свернуть белок и легко понять, как это происходит. Теперь возьмите тот же самый шнур, положите в стеклянную банку и долго встряхивайте. Можете ли вы предсказать его окончательную форму? Конечно, нет: это запутанный беспорядок. Можно было бы назвать эту попытку предсказания «проблемой свертывания липкого шнура»; химики называют ее «проблемой свертывания белка».

При определенных условиях белковая цепь всегда складывается в одну конкретную форму, но эту форму трудно предсказать, исходя из ее выпрямленной структуры. Однако разработчики белков сталкиваются с другой задачей: сначала определить желаемую конечную структуру, а затем выяснить, какую линейную последовательность аминокислот следует использовать для ее создания. Не решая классической проблемы свертывания белка, они занялись конструированием белка.

Билл Дегредо и его коллеги из «Du Pont» добились одного из первых успехов: «Мы смогли использовать основные принципы для проектирования и создания простой молекулы, которая свертывается так, как мы этого хотим. Это действительно первый реальный пример разработанной с нуля структуры белка, а не изменения уже существующей структуры, путем ее модификации».

Хотя ученые занимаются исследованиями, но они, конечно, являются формой инженерии. На их рабочих журналах написано: белковая инженерия. Билл Деградо так объясняет этот процесс: «После того, как вы сделали белок, следующий шаг — выяснить, обладает ли ваш белок нужными вам свойствами. Он сложился? Пропускает ли он ионы через биослои (такие как клеточные мембраны)? Выполняет ли каталитическую функцию (ускорение конкретных химических реакций)? Это можно установить с помощью соответствующего эксперимента. Скорее всего, новый продукт не соответствуют вашим требованиям, поэтому вам нужно выяснить, почему. Но современный хороший проект включает и план действий на случай неудачи и помогает учиться на ошибках. Вместо того чтобы разрабатывать структуру, анализ которой занял бы год или более, вы проектируете ее так, чтобы ее структура и конкретная функция могли быть проанализированы в течение нескольких дней».

Сегодня многие группы занимаются разработкой белков, в том числе такие академические исследователи как Джейн и Дэйв Ричардсон из Университета Дьюка, Брюс Эриксон из Университета Северной Каролины, а также Том Бланделл, Робин Литбарроу и Алан Фершт в Великобритании. И успехи пришли. Япония, однако, выделяется тем, что имеет организацию, которая занимается исключительно подобными проектами: Научно-исследовательский институт белковой инженерии (PERI) в Осаке. В 1990 году PERI объявила об успешном проектировании и строительстве белка de novo в несколько раз большего по размеру, чем любой построенный ранее.

Главное преимущество белков в том, что о них очень многое известно, и существует достаточно инструментов для работы с ними. Однако у белков есть и недостатки. Хотя бы потому, что эта проектная работа начинается с мягких белков — а мягкие молекулы мало подходят для нанотехнологий, — но это не означает, что так будет и дальше. Деградо отмечает: «Основная цель нашей работы в «De novo design» — сделать следующий шаг и полностью уйти от белковых систем». Одной из первых попыток стала работа Уоллеса Каротерса из «Du Pont», который применил подход de novo к изучению природы белков: вместо того, чтобы разрезать белки, он попытался создать вещи, используя аминокислоты и другие подобные мономеры. В 1935 году ему удалось сделать нейлон.

Деградо объясняет: «В «Du Pont» существует глубокая философская вера в способность людей производить молекулы de novo, которые будут создавать полезные вещи. И у руководства компании есть достаточная уверенность в том, что, следуя по этому пути, удастся добиться успеха: не напрямую и не всегда предсказуемо, но они и дальше намерены поддерживать фундаментальную науку.