Научно-фантастическая мечта о "молекулярном компьютере" становится все более реальной

Химики уже давно разрабатывают концепцию крошечных машин, которые могли бы производить лекарства, пластмассы и другие полимеры, которые трудно создать с помощью больших инструментов.

Девид Лейг мечтает о создании маленькой машины. Действительно маленькой. Что-то мизерное. Или скорее ... молекулярное. "Химики вроде меня работают над тем, чтобы превратить молекулы в машины, уже около 25 лет", - говорит Лей, химик-органик из Манчестерского университета в Великобритании. "И, конечно, это все первые шаги. Вы опираетесь на всех тех, кто был до вас".

В 1936 году английский математик Алан Тьюринг вообразил автономную машину, способную выполнять любой точно закодированный алгоритм. Гипотетическая машина считывала бы ленту, испещренную символами, которые при последовательной интерпретации давали бы ей инструкции к действию. Она могла бы расшифровывать, переводить или вычислять, превращая код в сообщение или математическую задачу в ответ. Машина Тьюринга была пророческим видением современных компьютеров. Хотя ваш ноутбук не опирается на ленту для запуска программ, философия, лежащая в его основе, та же самая. "Это заложило основу для современных вычислений", - говорит Ли.

Сейчас Лей считает, что крошечные молекулярные версии машины Тьюринга могли бы собирать то, что мы с трудом создаем в органической сфере, например, новые лекарства и пластмассы с такими улучшенными и точными характеристиками, что они недоступны для современных инструментов. И он уверен, что сможет это сделать. "Совершенно ясно, что это возможно", - говорит он, - "потому что уже есть работающий пример, называемый биологией". Природа дала каждой форме жизни свою версию машины Тьюринга: рибосомы, клеточные структуры, которые скользят по последовательностям мРНК и производят белки по одной аминокислоте за раз. Без них не может функционировать ни одна жизнь на Земле.

Молекулярная машина работала бы как рибосома: инструкции кодировались бы на одной молекуле, а другая интерпретировала бы их, или считывала. Или можно представить ее как магнитофон, когда информация кодируется на одной молекуле, которая служит дорожкой, и считывается второй молекулой, которая служит считывающей "головкой", воспроизводящей ее.

Полностью работающей машины пока не существует. Исследователи, такие как Ли, создают ее по частям. В 2007 году его команда разработала кольцеподобную молекулу-"храповик", которая питалась от света и могла двигаться вперед по молекулярной дорожке. Но это было не то, чего хотел Ли: Биологические системы питаются химическим топливом, а не светом.

Поэтому пять лет назад они обнаружили, как подталкивать эти молекулы-трещотки, используя трихлоруксусную кислоту в качестве химического топлива. Машины находятся в жидкости, и команда подает в нее импульс кислоты. pH окружающей жидкости изменяется по мере разложения кислоты, в результате чего молекула-трещотка начинает толкать молекулу-головку вперед на один шаг и никогда назад. Подумайте об этом как об эскалаторе или застежке-молнии: Пилообразная форма дорожки ограничивает движение только в одном направлении.

Теперь, в исследовании, недавно опубликованном в журнале Nature, команда Ли объединила эти инновации, чтобы продемонстрировать, что машина размером с молекулу может читать по мере своего движения. Они закодировали блоки информации на одной молекуле (лента) и сконструировали другую для скольжения по ее длине (головка). Когда головка перемещалась по ленте, она принимала предсказуемую форму каждый раз, когда сканировала определенный блок информации. Это позволило команде интерпретировать информацию на ленте на основе изменений формы головки - по сути, считывать ее код.

Команда Ли разработала молекулярную ленту для этого исследования, чтобы она была более амбициозной, чем двоичные биты, к которым мы привыкли в вычислениях и которые могут быть либо 0, либо 1. Вместо этого каждый блок информации на ленте записан в трехстороннем, или троичном, коде, принимающем значения -1, 0 или +1.

Причина, по которой они могут выбрать более информационно насыщенный бит, кроется в физике считывающей головки. Когда головка прилипает к значению -1, она деформируется предсказуемым образом. Когда она прилипает к участку, считающемуся +1, она деформируется противоположным образом. При значении 0 никаких искажений нет.

Затем, если посветить светом на молекулярную машину, пока она читает, каждая из трех деформаций исказит свет уникальным образом. Ученые смогли проследить за тем, как головка меняет свою форму, считывая этот свет. Они использовали процесс, называемый спектроскопией кругового дихроизма, чтобы определить форму храповика по мере того, как он продвигался по ленте.

Конечный результат: Они показали, что головка реагирует на то, что она считывает. Другими словами, они обнаружили, что можно использовать фундаментальные процессы физики и химии для передачи информации на молекулярном уровне. "Это первое доказательство принципа, показывающее, что вы можете эффективно это сделать", - говорит Жан-Франсуа Лутц, химик-полимерщик из Национального центра научных исследований Франции, который не принимал участия в исследовании. "Это было концептуально, но никогда не было реально достигнуто".

"То, как были сконструированы молекулярные машины, действительно замысловато и очень красиво", - говорит Ли Кронин, химик из Университета Глазго, который не принимал участия в исследовании. (Команда Кронина стала первопроходцем в создании другого типа химического компьютера под названием Chemputer, который надежно автоматизирует химические реакции). "Если бы можно было управлять сборкой на молекулярном уровне и сделать каждую нить индивидуальной, то можно было бы создавать удивительные материалы", - продолжает он. "Но мы еще далеки от этого. И я стараюсь не обещать слишком многого".

Лутц тоже старается не переборщить с обещаниями. Он отмечает, что функция "чтения" работает медленно, а информация, которую можно считать, минимальна. Также пока невозможно "записать" информацию с помощью молекулярного компьютера, а именно это потребуется для создания новых лекарств или пластмасс.

Ли не беспокоится о скорости. В текущем эксперименте на перемещение между блоками информации ушло несколько часов. Он считает, что в конечном итоге все будет происходить быстрее, потому что в природе "рибосомы могут считывать около 20 цифр в секунду". По его мнению, минимализм информации также имеет значение. Речь идет о том, чтобы упаковать информацию в как можно меньшее пространство - возможно, для вычислений, хранения данных или производства - и извлекать ее автономно. Он называет это "окончательной миниатюризацией технологии".

При этом у него есть идеи для развития. Он представляет себе, что однажды сможет использовать 5- или 7-полосный код, который будет содержать еще больше информации в каждом блоке ленты.

Следующим шагом вперед будет заставить его молекулярные машины писать. В текущей работе команда Ли предлагает, чтобы меняющие форму молекулы считывающего устройства могли катализировать различные химические реакции в зависимости от их формы. (Считывая +1, создается молекула А. Считывая 0, создается молекула В.) Можно представить себе чан, полный таких молекулярных считывателей, запрограммированных на печать одних и тех же молекул, функционирующих как своего рода фабрика - возможно, для производства суперполимеров, которые клетки никогда не смогут создать. "Как ученые-синтетики, мы можем использовать всю периодическую таблицу элементов", - говорит Лей. "Это освобождение от ограничений биологии".

Ли особенно привлекает возможность производства новых пластмасс таким способом. Такие пластмассы, как полистирол, полиметакрилат и полипропилен, являются полимерами - длинными цепочками одной и той же повторяющейся единицы, или мономера. Их физические свойства полезны для нас. Но кто знает, какие суперматериалы могут появиться, если специально смешивать и подбирать мономеры?

Комбинирование строительных блоков - мощная концепция в биологии. Например, все белки в мире основаны на комбинации всего 20 аминокислот. "Возьмите паучий шелк - это белок, и он в пять раз прочнее стали", - говорит Лей. "Если взять точно такие же 20 аминокислот, но собрать их в другой последовательности, то получится миозин, который является составной частью мышц и может генерировать силу, или можно сделать антитела".

Лутц предупреждает, что в высоких амбициях молекулярных машин нет ничего нового. "Мечтать в химии всегда довольно легко, а воплотить это в жизнь - совсем другое дело", - говорит он.

Тем не менее, такие постепенные достижения, как у Ли, приближают химию к цели. "Если они смогут расширить масштабы, это будет потрясающе", - говорит Кронин. "Но до машины Тьюринга им еще очень далеко".