Эрик Дрекслер - Безграничное будущее: нанотехнологическая революция

Химики, по крайней мере, в Соединенных Штатах, считают себя естествоиспытателями, даже когда их научная работа заключается в создании искусственных молекул. Обычно, люди, которые строят вещи, называются инженерами. И действительно, в Токийском университете кафедра синтетической химии входит в состав инженерного факультета; ее химики разрабатывают молекулярные коммутаторы для хранения компьютерных данных. Но инженерные достижения возможны только тогда, когда перед людьми ставятся инженерные цели.

Молекулярные инженеры, занимающиеся нанотехнологией, нуждаются в наборе молекулярных строительных блоков для создания больших, сложных структур. Систематическое производство таких строительных блоков впервые было начато Брюсом Меррифилдом, лауреатом Нобелевской премии по химии 1984 года. Его подход, известный как «твердофазный синтез» или просто «метод Меррифилда», используется для синтеза длинных цепей аминокислот, образующих белки. В методе Меррифилда каждый цикл химической реакции добавляет один молекулярный строительный блок к концу цепи, закрепленной на твердой основе. Это происходит параллельно в каждой из триллионов одинаковых цепочек, выстраивая триллионы молекулярных объектов с определенной последовательностью строительных блоков. Химики обычно используют метод Меррифилда, чтобы сделать молекулы больше, чем палитоксин. Соответствующие методы используются для создания ДНК в так называемых генных машинах: объявление от компании из Алабамы гласит: «заказанная ДНК — очищенная и доставленная в течение 48 часов».

Несмотря на то, что трудно предсказать, как будет свертываться естественная белковая цепь, — они и не были предназначены для предсказуемого свертывания — химики могли бы получать строительные блоки больших размеров, разнообразнее и более склонных образовывать единую, понятную и стабильную структуру. С набором таких строительных блоков и методом Меррифилда, позволяющим связывать их вместе, молекулярные инженеры могли бы проектировать и создавать молекулярные машины довольно легко.

Чтобы создать новую молекулу, необходимо разработать как ее структуру, так и процедуру ее получения. По сравнению с гигантскими научными проектами, такими как сверхпроводящий суперколлайдер и космический телескоп Хаббла, работа с молекулами может быть выполнена при ограниченном бюджете. Тем не менее, затраты на попытки проведения многих различных процедур складываются. Чтобы заранее рассчитать, что будет работать, а что нет, проектировщики используют модели.

Вы, возможно, знакомы с моделями молекул по занятиям в классе химии: цветные пластиковые шары и палочки, соединяющие их, как в детском конструкторе. Каждый цвет представляет собой отдельный вид атома: углерод, водород и так далее. Даже простые пластиковые модели могут дать вам представление о том, сколько связей имеет каждый атом, сколько их, и как они расположены в пространстве. Более сложная форма модели использует только шары и полусферы, без палочек. Эти красочные, объемные формы называются CPK-моделями и широко используются профессиональными химиками. Нобелевский лауреат Дональд Крам отмечает, что «мы потратили сотни часов на создание CPK-моделей потенциальных молекулярных систем и оценку их полезности в качестве целей исследований». Его исследования, как и работы коллег, нобелевских лауреатов Чарльза Дж. Педерсена и Жан-Мари Лена, были сосредоточены на разработке и создании молекул среднего размера, которые собираются самостоятельно.

Физические модели не могут хорошо описать, как колеблются и движутся молекулы, а вот компьютерные модели могут. Компьютерное моделирование уже играет ключевую роль в молекулярной инженерии. Как отметил Джон Уокер (основатель и лидер «Autodesk»): «В отличие от всех предшествовавших промышленных революций, молекулярной инженерии требуется в качестве важного компонента способность проектировать, моделировать и модернизировать молекулярные структуры с помощью компьютеров».

Это не осталось незамеченным в бизнес-сообществе. Замечание Джона Уокера было частью доклада о нанотехнологиях, сделанного в «Autodesk», лидере в области автоматизированного проектирования и одной из пяти крупнейших фирм программного обеспечения в Соединенных Штатах. Вскоре после этого выступления компания сделала свои первые крупные инвестиции в автоматизированное проектирование молекул. [3] См. «Нанотехнологии в производстве», Джон Уокер.

Производители и архитекторы знают, что проекты для новых продуктов и зданий лучше всего делать на компьютере с помощью автоматизированного проектирования (САПР). Новое программное обеспечение для молекулярного проектирования можно назвать молекулярным САПРом, и его ведущими разработчиками являются такие исследователи, как Джей Пондер из отдела молекулярной биофизики и биохимии Йельского университета. Он считает, что «существует сильная связь между тем, что делают молекулярные конструкторы и что делают архитекторы. Например, Майкл Уорд из «Du Pont» разрабатывает набор строительных блоков для набора игрушек «Тинкер», чтобы вы могли собирать более крупные структуры. Именно этим мы занимаемся, используя методы молекулярного моделирования».

«Все принципы проектирования и машиностроения, которые применяются при строительстве небоскреба или моста, применимы и к молекулярной архитектуре. Если вы строите мост, то должны сначала исследовать его модель. Посмотреть, сколько грузовиков одновременно может передвигаться по мосту, чтобы он не разрушился, какую нагрузку он выдержит, сможет ли он противостоять землетрясению».

«Точно так же происходит при молекулярном конструировании: вы проектируете части, а затем анализируете нагрузки и силы, которые будут на них действовать, и как они изменят и нарушат структуру. Как и при проектировании, и строительстве здания вы анализируете нагрузки на любую макромасштабную структуру. Я думаю, что важно заставить людей думать в этих терминах».

«Молекулярный конструктор должен быть творческим человеком точно так же, как архитектор должен быть творческим человеком при проектировании здания. Когда молекулярный конструктор смотрит на внутреннюю часть белковой структуры и пытается переделать ее так, чтобы создать пространство, которое должно выполнять определенную функцию, например, связь с определенными молекулами, это похоже на проектирование комнаты для использования в качестве столовой — той, которая будет соответствовать определенным размерам столов и определенному количеству гостей. В обоих случаях вы должны создать пространство для выполнения нужной вам функции».