Зачем нужны молекулярные машины?
Совместно с онлайн-журналом Forbes мы запустили спецпроект ProНаука, в котором наши эксперты рассказывают о новых идеях и исследованиях в области естественных и гуманитарных наук.
Молекулярные машины — это устройства, способные манипулировать одиночными атомами и молекулами. Например, переносить их с одного места на другое, сближать так, чтобы образовалась химическая связь, или растаскивать, чтобы химическая связь порвалась, собирать молекулярные конструкции или, наоборот, разбирать молекулярные конструкции и так далее. Нетрудно сообразить, что размер молекулярной машины не может быть слишком большим по отношению к тому объекту, с которым она манипулирует, а значит, речь идет о функциональных молекулярных структурах, которые имеют характерный размер порядка нескольких нанометров.
Что же это такое — молекулярная машина? Давайте отталкиваться от обычных представлений о машинах. Например, автомобиль. У него два основных модуля: силовой агрегат, который преобразует выделенную при сгорании топлива энергию в механическое движение, и второй модуль — функциональный, который преобразует механическое движение, снимаемое с силового агрегата, в функционально полезное движение. У автомобиля это все то, что превращает линейное смещение поршня во вращение колеса.
Молекулярные машины на самом деле — это такие же устройства, только очень маленького размера, в 100 раз меньше микрона. Поскольку вечных двигателей не может быть ни на макроскопическом уровне, ни на наноуровне, молекулярная машина тоже должна иметь силовой агрегат, способный превращать внешнюю энергию в нечто похожее на механическое движение — нечто похожее, потому что на масштабах, когда атом становится индивидуальным объектом, настоящей механики нет, нет «твердого тела» — все «трясется и дергается», как писал Ричард Фейнман. Но на чуть больших масштабах уже возможна «квазимеханика» — направленное смещение достаточно крупных молекулярных фрагментов. Из всего этого, кстати, следует принципиальное ограничение снизу на размер машины как таковой — она не может быть меньше нескольких нанометров, это предел. Вот и получается, что молекулярные машины — это машины предельно малого размера. Отсюда и все проблемы с их конструированием. Надо как-то ухитриться сделать силовой агрегат из пары-тройки сотен атомов, да еще прилепить к нему функциональный модуль, который мог бы точно оперировать с объектами атомного масштаба в условиях, когда «все трясется и дергается». Такие машины, если их научиться делать, открывают совершенно фантастические перспективы. Дело тут вот в чем. Обычная химия — это своеобразный конструктор, который занимается сборкой молекул, когда все «трясется и дергается». Успеха он добивается за счет большого числа попыток. Масштаб доступного числа попыток устанавливает знаменитое число Авогадро. Это большое число, единица с 24 нулями, и если, скажем, из миллиона попыток только одна удачная, то результат будет все равно видимым. Но технология, рассчитанная на удачу, работает только для сборки не слишком сложных молекул. Если нужно собрать сложную, большую структуру, в которой молекулы нескольких сортов должны быть расставлены строго определенным образом, то не спасает даже число Авогадро. Выход только один — собирать точно, исключая ошибки на каждом шаге сборки.
Машина размером в несколько нанометров может пролезть, например, в живую клетку, не разрушая ее, и на атомно-молекулярном уровне делать там то, что ей предписано.
Тут все так, как в жизни. Сколько ни тряси мешок с частями от разобранных часов, случайно они никогда не сложатся. Современные сборочные технологии — это прежде всего те машины, которые обеспечивают нужную точность сборки. Имея молекулярные машины, можно собирать молекулярные структуры, условно говоря, неограниченной сложности и получать материалы с невиданными характеристиками. Можно, наоборот, аккуратно разбирать большие молекулы, например полимеры, на атомы, не загрязняя среду осколками, которые неизбежно появляются при их утилизации методом «подрыва». Образно говоря, молекулярные машины могут всю сегодняшнюю «стохастическую химию» заменить «алгоритмической химией». Кроме того, молекулярные машины можно внедрять в очень маленькие объекты. Машина размером в несколько нанометров может пролезть, например, в живую клетку, не разрушая ее, и на атомно-молекулярном уровне делать там то, что ей предписано. Тут открываются не менее фантастические перспективы: «молекулярная хирургия», целевая доставка препаратов, целевая коррекция биохимических функций и так далее. Конечно, все это может быть использовано не только во благо, но и во вред человеку. Так всегда было. Все изобретения, позволившие человеку тысячекратно усилить свои весьма скромные природные возможности перемещаться, коммуницировать и воздействовать — все они были использованы и против самого человека. Было бы наивно полагать, что так не будет с молекулярными машинами. Но тут есть ряд естественных, так сказать, ограничений. Например, создать с помощью искусственных молекулярных машин устройства с высокой плотностью энергии может оказаться возможным, но они едва ли будут интересны как разрушители. Да в этом и потребности особой нет, понапридумали уже. Оружие типа «бактериологического» из искусственных молекулярных машин тоже едва ли получится, по крайней мере в ближайшие 20–30 лет. Правда, некоторые возможности для новых террористических угроз тут вполне просматриваются. А вот те особенные материалы, создание которых молекулярные машины сделают возможным, несомненно, вызовут интерес и у ВПК.
Мечтать, конечно, не вредно, но возможны ли такие устройства? Возможны ли машины столь малого размера? Ответ тут совершенно обескураживающий. Оказывается, что в природе уже есть гигантский мир молекулярных машин, и возник он без всякого нашего участия. Это вся живая природа. Более того, сама идея о молекулярных машинах «украдена», если угодно, у живой природы. Удивительно упорядоченная внутренняя жизнь клетки организована молекулярными машинами. Одни машины практически без ошибок копируют генетические тексты, другие строят сложные агрегаты для сборки молекулярных машин и обслуживают их работу, третьи выполняют транспортную функцию — перетаскивают субклеточные структуры по специальным «рельсам», проложенным в клетке. В живой клетке несколько тысяч молекулярных машин, каждая из них занимается своим делом, и каждая из них преобразует химическую или тепловую энергию в квазимеханическое движение и использует наномеханику для точного выполнения определенной операции. Это поразительная картина. Она не только дает нам впечатляющие примеры нанотехнологий, но меняет все наше мироощущение. И все было бы замечательно, если бы не одно «но». В живой природе все так устроено, что биологические молекулярные машины создаются с помощью самих же биологических молекулярных машин. То есть вместе с молекулярными машинами живая природа построила очень специальную технологию их сборки, и биологические молекулярные машины очень тонко заточены под эту технологию. Ее, эту технологию, используют в генной инженерии, например, на этом она, собственно говоря, и стоит. Вообще все биотехнологии — в фармацевтике, медицине, сельском хозяйстве — основаны на биологических молекулярных машинах и технологии их сборки, созданной самой живой природой. Это упрощает задачу, но замкнутый в технологическом отношении круг порождает и принципиальные ограничения. Используя биотехнологию и генную инженерию, мы не можем выйти за границы, очерченные самой живой природой. Мы можем сделать те или иные биологические или подобные им субстанции в нужном нам количестве, но вырваться за рамки того набора функций, которые предопределены биологией, мы принципиально не можем. Мы не можем сделать другие машины: этого не позволяет сама технология сборки биологических молекулярных машин. Для биотехнологий, конечно, остается большое пространство, но ограничение есть, и оно сильное. Все, что вне биологии, оказывается на этом пути недоступным.
Понятно, что если бы удалось вырваться из этого «замкнутого круга», то открылись бы широчайшие горизонты применения молекулярных машин в совершенно иных сферах. Возможно ли такое? До самого недавнего времени казалось, что обнадеживающего пути тут не видно, потому что собирать молекулярные машины вроде бы можно только с помощью других молекулярных машин, а никаких других молекулярных машин, кроме как биологических, нет. Но в 2013 году все резко изменилось.
Но самыми, может быть, захватывающими вещами могут оказаться молекулярные операциональные системы, то есть системы молекулярных машин, которые как целое сами действуют как «машины».
Было показано, что идея делать искусственные молекулярные машины методом самосборки не столь уж безумна. Оказалось, что молекулярной машиной может быть небольшая полимерная глобула (цепь) с фрактальной структурой. То, что фрактальные глобулы должны существовать, было предсказано физиками Александром Гросбергом, Сергеем Нечаевым и Евгением Шахновичем еще в 1988 году. Все отнеслись к этому как к тонкой шутке теоретиков. Только спустя 20 лет, совсем недавно, международная группа Леонида Мирного из Массачусетского технологического института показала, что двухметровая ДНК уложена в ядре клетки как раз в огромную фрактальную глобулу. Поэтому она нигде не перепутывается, и можно быстро считать генетическую информацию с любого ее участка. Но ДНК — это огромная молекула, и она совсем не машина. Так вот в 2013 году выяснилось, что если относительно короткую полимерную цепь уложить во фрактальную глобулу, то есть так же, как уложена ДНК, то получится молекулярная машина. Небольшая фрактальная глобулка способна превращать стохастическое тепловое движение в строгую наномеханику, и делает она это ровно так же, как это делает тепловой двигатель. И похоже, что химическая структура полимерной цепи тут не так важна, то есть такие фрактальные глобулки можно делать из разных синтетических полимеров. Так что путь для создания по-настоящему искусственных молекулярных машин физика вроде нашла, и первая такая машина может быть создана уже в ближайшие 2–3 года.
Создание технологии конструирования и производства искусственных молекулярных машин вполне способно привести к технологическому взрыву едва ли не во всех областях человеческой деятельности. Тут возможны суперреволюционные вещи, более масштабные, может быть, чем даже переживаемая нами микроэлектронная и коммуникационная революции. Идеи самые смелые: строить сверхкомпактные фабрики молекулярных машин для безотходного производства и переработки различных химических субстанций, создавать с помощью молекулярных машин материалы с поражающими воображение свойствами, внедряться в живую клетку и осуществлять там функции, свойственные или, напротив, несвойственные живому организму, и так далее и так далее. Инструменты точного манипулирования на атомно-молекулярном уровне можно использовать практически во всех сферах деятельности, имеющих отношение к веществу. Но самыми, может быть, захватывающими вещами могут оказаться молекулярные операциональные системы, то есть системы молекулярных машин, которые как целое сами действуют как «машины».
Точно так же, как электронные операциональные элементы с элементарной функцией ступенчатого переключения, будучи объединенными в функционально связанную систему, порождают суперкомпьютер с огромным набором функциональных возможностей. Тут есть очень интересная, хотя и весьма отдаленная перспектива создания чего-то такого, что было бы похоже на «интеллект в колбе», на основе, скажем, неуглеродных полимеров, как в живой мозг, например кремниевых полимеров. Такая операциональная система к тому же может оказаться совместимой с компьютером, открывая тем самым путь к гибридным интеллектуальным системам, в которых «стратегическое мышление», основанное, как и у биологического интеллекта, на «образах и интуиции», сочетается с детальными расчетами, полученными с помощью мощных вычислительных возможностей. Горизонты для функциональных систем из молекулярных машин сейчас трудно даже оценить.
Полный текст статьи читайте на Postnauka.ru
