Как только биохимики определили форму и функ
цию жизненно важной белковой машины, в большом числе случаев они могут р
азработать молекулу, сделанную так, чтобы блокировать её действие и разр
ушать её. Такие лекарства могли бы освободить человечество от таких древ
них ужасов как schistosomiasis и проказа, и от таких новых как СПИД.
Фармацевтические компании уже переделывают молекулы, основываясь на з
нании того, как они работают. Исследователи компании Апджон разработали
и сделали измененные молекулы вазопрессина Ц гормона, который состоит
из короткой цепи аминокислот. Вазопрессин усиливает работу сердца и сни
жает скорость, с которой почки вырабатывают мочу; это увеличивает кровян
ое давление. Исследовании разработали модифицированные молекулы вазоп
рессина, которые воздействуют на молекулы-рецепторы в почках в большей
степени, чем на молекулы-рецепторы в сердце, придавая им более специфиче
ский и контролируемый медицинский эффект. Ещё более недавно, они разрабо
тали модифицированные молекулы вазопрессина, которые присоединяются к
рецепторным молекулам почек, не оказывая прямого эффекта, таким образом
блокируя и подавляя действие естественного вазопрессина.
Потребности медицины будут двигать эту работу вперед, мотивируя исслед
ователей предпринимать дальнейшие шаги по проектированию белка и моле
кулярному инжинирингу. Давление и медицинских, и военных, и экономически
х факторов толкают нас в одном и том же направлении. Ещё даже до ассемблер
ной революции молекулярная технология будет давать нам впечатляющие у
спехи в медицине; тенденции в биотехнологии это гарантируют. Однако, эти
успехи будут в целом постепенными и труднопредсказуемыми, и каждое буде
т использовать своё небольшое поле в биохимии. Далее, когда мы применим а
ссемблеры и системы технического ИИ к медицине, мы получим широкие спосо
бности, которые легче предвидеть.
Чтобы понять эти способности, рассмотрим клетки и их механизмы самовосс
тановления. В клетках вашего тела, естественные радиация и вредные химич
еские вещества расщепляют молекулы, производя химически активные моле
кулярные фрагменты. Они могут ошибочно присоединяться к другим молекул
ам в процессе, называемом перекрёстным связыванием. Также как шарики и к
апельки клея повредили бы машину, так же радиация и химически активные ф
рагменты повреждают клетку, и разрушая молекулярные машины и склеивая и
х.
Если ваши клетки не могли бы восстанавливать себя, повреждение быстро уб
ило бы их или сделало бы их неконтролируемыми, повреждая их системы упра
вления. Но эволюция благоприятствовала организмам с машинами, способны
ми что-то делать с этой проблемой. Самовоспроизводящаяся производствен
ная система, описанная в главе 4, чинила себя путём замены повреждённых ча
стей; клетки делают то же самое. До тех пор, пока клеточная ДНК сохраняется
неповреждённой, она может производить безошибочные ленты, которые напр
авляют рибосомы на сборку новых белковых машин.
К нашему сожалению, сама ДНК повреждается, что ведёт к мутациям. Ремонтир
ующие ферменты до некоторой степени компенсируют повреждения ДНК, обна
руживая и восстанавливая некоторые их виды. Такой ремонт помогает клетк
ам выживать, но существующие механизмы ремонта слишком просты, чтобы исп
равлять все проблемы, будь то в ДНК или где-то ещё. Ошибки накапливаются, в
нося свой вклад в старение и смерть клеток, а также самих людей.
Жизнь, разум и машины
Имеет ли смысл описывать клетки как «машины», будь то самовосстанавлива
ющиеся, или нет? Так как мы сделаны из клеток, могло бы казаться унизительн
ым сводить людей к ""просто машинам", что противоречит холистическому пон
иманию жизни.
Но словарное определение «холизма» Ц ""теория, что действительность сос
тавлена из органичных или объединенных целых, которые есть больше, чем п
ростая сумма их частей." "Это, конечно, применяется к людям: просто сумма на
ших частей, без разума и жизни, походила бы на гамбургер.
Человеческое тело включает приблизительно 10 22
белковых частей, и ни одна машина такой сложности не заслуживает ярлыка
«просто». "Любое краткое описание такой сложной система не может не быть
весьма неполным, однако на клеточном уровне описание в терминах машин см
ысл имеет. Молекулы имеют простые движущиеся части, многие из которых де
йствуют подобно знакомому роду машин. Клетки, рассматриваемые как целое
, могут казаться менее механическими, однако биологи находят полезным оп
исать их в терминах молекулярных машин.
Биохимики раскрыли то, что когда-то было главными тайнами жизни, и начали
заполнять детали. Они проследили, как молекулярные машины расщепляют мо
лекулы пищи на их составные части и затем повторно собирают эти части, чт
обы строить и обновлять ткани. Многие детали структуры человеческих кле
ток остаются неизвестными (отдельные клетки содержат миллиарды больши
х молекул тысяч различных видов), но биохимики нанесли на карту каждую ча
сть некоторых вирусов. Биохимические лаборатории часто вешают на стену
огромную диаграмму, показывающую, как основные молекулярные строитель
ные блоки плавают внутри бактерии. Биохимики понимают в деталях многое и
з жизненных процессов, а то, что они не понимают по-видимому действует по
тем же самым принципам. Тайна наследственности превратилась в индустри
ю генной инженерии. Даже эмбриональное развитие и память сейчас объясня
ются в терминах изменения в биохимии и клеточной структуре.
В последние десятилетия само качество нашего остающегося незнания изм
енилось. Когда-то, биологи смотрели на жизненный процесс и спрашивали: "Ка
к это может быть?" "Но сегодня они понимают общие принципы жизни, и когда он
и изучают специфический жизненный процесс, они обычно спрашивают: "Из мн
огих способов, как это может быть, какой выбрала природа?" Во многих случая
х их исследования сузили конкурирующие объяснения в какой-либо области
до одного. Определённые биологические процессы Ц координация клеток д
ля образования растущего эмбриона, обучающегося мозга и реагирующей им
мунной системы Ц всё ещё представляют серьёзную задачу для воображени
я. Однако это не потому, что есть какая-то глубокая тайна в том, как работаю
т их части, но из-за громадной сложности того, как их многие части взаимод
ействуют друг с другом, чтобы образовывать целое.
Клетки подчиняются тем же самым естественным законам, которые описываю
т и остальную часть мира. Белковые машины в правильном молекулярном окру
жении будут работать, остаются ли они в функционирующей клетке или эта к
летка была ли размолота и размыта многие дни назад. Молекулярные машины
ничего не знают о «жизни» и "смерти".
Биологи, когда им нужно, иногда определяют жизнь как способность расти, в
оспроизводиться и реагировать на раздражители. Но по этому стандарту, гл
упая система самовоспроизводящихся фабрик могла бы квалифицироваться
как жизнь, в то время как сознательный искусственный интеллект, смоделир
ованный на человеческом мозге мог бы так не квалифицироваться. Являются
ли вирусы живыми или они «просто» очень совершенные молекулярные машин
ы? Никакой эксперимент не может об этом сказать, потому что природа не про
водит никакой линии между живым и неживым. Биологи, которые работают с ви
русами, вместо этого задают вопрос о жизнеспособности: "Будет ли этот вир
ус функционировать, если ему дать возможность?" Ярлыки «жизнь» и «смерть
» в медицине зависят от медицинских возможностей: врачи спрашивают: "Буд
ет ли пациент функционировать, если мы приложим все усилия?" Когда-то врач
и объявляли пациентов мёртвыми как только останавливалось сердце; тепе
рь они объявляют пациентов мёртвыми, когда они теряют надежду на восстан
овление мозговой деятельности. Успехи в кардиологии когда-то изменили о
пределение; успехи в медицине мозга изменят его ещё раз.
Также некоторые люди чувствуют себя некомфортно с идеей, что машины лежа
т в основе нашего мышления. Слово «машина» снова, кажется, вызывает непра
вильный образ Ц картину чего-то большого, гремящего металлом, а не мерца
ние сигналов вдоль бегущей волны или нейронным волокнам, по живой ткани,
более сложной чем способен полностью понять разум, который она воплощае
т. Действительно подобные машинам машины мозга имеют размер молекул Ц м
еньше, чем самые тонкие волокна.
Целое не обязательно должно походить на свои части. Твёрдый кусок чего-н
ибудь едва ли походит на танцующий фонтан, однако совокупность твердых,
бугристых молекул образует текучую воду. Подобным образом миллиарды мо
лекулярных машин образуют нейронные волокна и синапсы, тысячи волокон и
синапсов образуют нервную клетку, миллиарды нервных клеток образуют мо
зг, а сам мозг воплощает текучесть мысли.
Сказать, что разум Ц это "всего лишь "молекулярные машины" " Ц подобно выс
казыванию, что Мона Лиза является "только мазками краски. "Такие утвержде
ния путают части с целым, и путают материю со структурой, которую материя
воплощает. Мы нисколько не менее человечны из-за того, что сделаны из моле
кул.
От лекарств к машинам ремонт
а клеток
Будучи сделанными из молекул, и имея человеческое беспокойство о нашем з
доровье, мы применим молекулярные машины к биомедицинской технологии. Б
иологи уже используют антитела, чтобы помечать белки, ферменты Ц чтобы
разрезать и соединять ДНК, а шприцы вирусов (такие как у вируса-фага T4) Ц ч
тобы впрыскивать отредактированную ДНК в бактерию. В будущем они будут и
спользовать построенные ассемблерами наномашины, чтобы исследовать и
модифицировать клетки.
С инструментами, подобными дизассемблерам, биологи будут способны изуч
ить структуры клетки до конца, до молекулярных деталей. Далее они занесу
т в каталог сотни тысяч видов молекул тела и построят карту структуры со
тен видов клеток. Во многом также как инженеры могли составлять перечень
частей и создавать инженерные чертежи автомобиля, также биологи опишут
части и структуры здоровой ткани. К тому времени им будут помогать сложн
ые системы технического ИИ.
Врачи стремятся сделать ткани здоровыми, но с помощью лекарств и хирурги
и, они могут только стимулировать ткани себя восстанавливать. Молекуляр
ные машины дадут возможность более непосредственного ремонта, начиная
новую эру в медицине.
Чтобы починить автомобиль, механик сначала добирается до дефектного уз
ла, затем опознает и удаляет плохие части, и наконец их восстанавливает и
ли заменяет. Ремонт клетки будет включать те же самые основные задачи Ц
задачи, которые живые системы уже доказали, что они возможны.
Доступ. Белые клетки крови покидают кровяное русло и движутся через ткан
ь, а вирусы входят в клетки. Биологи даже втыкают в клетки иглы, и это их не у
бивает. Эти примеры показывают, что молекулярные машины могут добиратьс
я и входить в клетки.
Распознавание. Антитела и волокна хвоста фага T4, а на самом деле все специ
фические биохимические взаимодействия, показывают, что молекулярные с
истемы, входя в контакт с другими молекулами, могут их распознавать.
Разборка. Пищеварительные ферменты (и другие, более жестокие химические
вещества) показывают, что молекулярные системы могут разбирать поврежд
енные молекулы.
Восстановление. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные
системы могут строить или восстанавливать любую молекулу, обнаруживае
мую в клетке.
Повторная сборка. Природа также показывает, что отделенные молекулы мог
ут быть собраны вместе снова. Например, механизмы фага T4 собирают сами себ
я из раствора, чему, очевидно, помогает единственный фермент. Воспроизво
дящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут собирать люб
ую из систем, обнаруживаемых в клетке.
Таким образом, природа демонстрирует все основные операции, необходимы
е, чтобы выполнять ремонт клеток на молекулярном уровне. Что более важно,
как я описал в главе 1, системы, основанные на наномашинах, будут большей ч
астью более компактны и обладать большими возможностями, чем обнаружив
аемые в природе. Естественные системы показывают только нижние границы
возможного в ремонте клеток, также как и во всём остальном.
Машины ремонта клеток
Короче говоря, с молекулярной технологией и техническим ИИ мы будем дела
ть полные описания здоровой ткани на молекулярном уровне, и будем строит
ь машины, способные входить в клетки, понимать и изменять их структуры.
Машины ремонта клеток будут сопоставимы по размеру с бактериями и вирус
ами, но их более компактные части ""позволят им быть более сложными. Они бу
дут проходить через ткань, как это делают белые клетки крови, и входят в кл
етки, как это делают вирусы, или они могли бы открывать и закрывать клеточ
ные мембраны с хирургической аккуратностью. Внутри клетки машина ремон
та первым делом составит представление о ситуации, исследуя содержимое
клетки и её функционирование, а далее будет предпринимать действия. Перв
ые машины ремонта клеток будут высоко специализированными, способными
распознавать и исправлять только один тип молекулярных нарушений, таки
х как дефицит ферментов или форма повреждения ДНК. В дальнейшем (но не нам
ного позже, так как продвинутые системы технического ИИ будут выполнять
работы по разработке) машины будут программироваться более общими спос
обностями.
Для сложных машин ремонта будут нужны нанокомпьютеры, чтобы ими управля
ть. Механический компьютер шириной в микрон, такой как описан в главе 1, бу
дет умещаться в 1/1000 объема средней клетки, однако будет вмещать больше инф
ормации, чем клеточная ДНК. В системе ремонта, такие компьютеры будут упр
авлять более маленькими и простыми компьютерами, которые в свою очередь
будут управлять машинами, направляя их на исследование, разборку и перес
тройку повреждённых молекулярных структур.
Отрабатывая молекулу за молекулой и структуру за структурой, машины рем
онта будут способны восстанавливать целые клетки. Отрабатывая клетку з
а клеткой и ткань за тканью, они (с помощью больших устройств, там, где это н
еобходимо) будут способны восстанавливать целые органы. Отрабатывая ор
ган за органом по всему телу, они восстановят здоровье. Так как молекуляр
ные машины будут способны строить молекулы и клетки с нуля, они будут спо
собны исправлять даже клетки, повреждённые до степени полной неработос
пособности. Таким образом с машинами ремонта клеток произойдёт фундаме
нтальный прорыв: они освободят медицину от необходимости полагаться на
самовосстановление как единственный способ лечения.
Чтобы представить себе продвинутую машину ремонта клеток, представьте
себе её и клетку увеличенными так, что атомы станут размером с маленький
мраморный шарик. В этом масштабе самые маленькие инструменты машин ремо
нта будут примерно с кончики ваших пальцев; белок среднего размера, тако
й как гемоглобин, будет размером с печатающую машинку; а рибосома будет р
азмером со стиральную машину. Устройство ремонта содержит простой комп
ьютер размером с небольшой трактор, и условия для хранения информации и
приводящей в движение энергии. Объём в десять метров в диагонали Ц разм
ер 3-этажного дома, содержит все эти части и более этого. С частями размеро
м с мраморные шарики, умещённые в этот объём, машины ремонта смогут делат
ь сложные вещи.
Но такое ремонтное устройство не работает в одиночестве. Оно, также как м
ногие его братья и сёстры, связано с большим компьютером посредством мех
анических связей для передачи данных, диаметром как ваша рука. В этом мас
штабе, компьютер размером в кубический микрон с большой памятью заполни
т объем в тридцать этажей в высоту и шириной как футбольное поле. Ремонтн
ые устройства передают ему информацию, а он предаёт обратно общие инстру
кции. Объекты такие большие и сложные тем не менее достаточно маленькие:
в этом масштабе сама клетка будет длинной в километр, вмещая в себе тысяч
и объёмов компьютеров размером в один кубический микрон, и миллионы раз
вмещая в себе объём отдельного ремонтного устройства. В клетках много ме
ста!
Будут ли такие машины способны делать все необходимое для восстановлен
ия клеток? Существующие молекулярные машины демонстрируют способность
проходить через ткани, входить в клетки, распознавать молекулярные стру
ктуры, и т. д., но остальные требования также важны. Будут ли машины ремонта
работать достаточно быстро?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40
цию жизненно важной белковой машины, в большом числе случаев они могут р
азработать молекулу, сделанную так, чтобы блокировать её действие и разр
ушать её. Такие лекарства могли бы освободить человечество от таких древ
них ужасов как schistosomiasis и проказа, и от таких новых как СПИД.
Фармацевтические компании уже переделывают молекулы, основываясь на з
нании того, как они работают. Исследователи компании Апджон разработали
и сделали измененные молекулы вазопрессина Ц гормона, который состоит
из короткой цепи аминокислот. Вазопрессин усиливает работу сердца и сни
жает скорость, с которой почки вырабатывают мочу; это увеличивает кровян
ое давление. Исследовании разработали модифицированные молекулы вазоп
рессина, которые воздействуют на молекулы-рецепторы в почках в большей
степени, чем на молекулы-рецепторы в сердце, придавая им более специфиче
ский и контролируемый медицинский эффект. Ещё более недавно, они разрабо
тали модифицированные молекулы вазопрессина, которые присоединяются к
рецепторным молекулам почек, не оказывая прямого эффекта, таким образом
блокируя и подавляя действие естественного вазопрессина.
Потребности медицины будут двигать эту работу вперед, мотивируя исслед
ователей предпринимать дальнейшие шаги по проектированию белка и моле
кулярному инжинирингу. Давление и медицинских, и военных, и экономически
х факторов толкают нас в одном и том же направлении. Ещё даже до ассемблер
ной революции молекулярная технология будет давать нам впечатляющие у
спехи в медицине; тенденции в биотехнологии это гарантируют. Однако, эти
успехи будут в целом постепенными и труднопредсказуемыми, и каждое буде
т использовать своё небольшое поле в биохимии. Далее, когда мы применим а
ссемблеры и системы технического ИИ к медицине, мы получим широкие спосо
бности, которые легче предвидеть.
Чтобы понять эти способности, рассмотрим клетки и их механизмы самовосс
тановления. В клетках вашего тела, естественные радиация и вредные химич
еские вещества расщепляют молекулы, производя химически активные моле
кулярные фрагменты. Они могут ошибочно присоединяться к другим молекул
ам в процессе, называемом перекрёстным связыванием. Также как шарики и к
апельки клея повредили бы машину, так же радиация и химически активные ф
рагменты повреждают клетку, и разрушая молекулярные машины и склеивая и
х.
Если ваши клетки не могли бы восстанавливать себя, повреждение быстро уб
ило бы их или сделало бы их неконтролируемыми, повреждая их системы упра
вления. Но эволюция благоприятствовала организмам с машинами, способны
ми что-то делать с этой проблемой. Самовоспроизводящаяся производствен
ная система, описанная в главе 4, чинила себя путём замены повреждённых ча
стей; клетки делают то же самое. До тех пор, пока клеточная ДНК сохраняется
неповреждённой, она может производить безошибочные ленты, которые напр
авляют рибосомы на сборку новых белковых машин.
К нашему сожалению, сама ДНК повреждается, что ведёт к мутациям. Ремонтир
ующие ферменты до некоторой степени компенсируют повреждения ДНК, обна
руживая и восстанавливая некоторые их виды. Такой ремонт помогает клетк
ам выживать, но существующие механизмы ремонта слишком просты, чтобы исп
равлять все проблемы, будь то в ДНК или где-то ещё. Ошибки накапливаются, в
нося свой вклад в старение и смерть клеток, а также самих людей.
Жизнь, разум и машины
Имеет ли смысл описывать клетки как «машины», будь то самовосстанавлива
ющиеся, или нет? Так как мы сделаны из клеток, могло бы казаться унизительн
ым сводить людей к ""просто машинам", что противоречит холистическому пон
иманию жизни.
Но словарное определение «холизма» Ц ""теория, что действительность сос
тавлена из органичных или объединенных целых, которые есть больше, чем п
ростая сумма их частей." "Это, конечно, применяется к людям: просто сумма на
ших частей, без разума и жизни, походила бы на гамбургер.
Человеческое тело включает приблизительно 10 22
белковых частей, и ни одна машина такой сложности не заслуживает ярлыка
«просто». "Любое краткое описание такой сложной система не может не быть
весьма неполным, однако на клеточном уровне описание в терминах машин см
ысл имеет. Молекулы имеют простые движущиеся части, многие из которых де
йствуют подобно знакомому роду машин. Клетки, рассматриваемые как целое
, могут казаться менее механическими, однако биологи находят полезным оп
исать их в терминах молекулярных машин.
Биохимики раскрыли то, что когда-то было главными тайнами жизни, и начали
заполнять детали. Они проследили, как молекулярные машины расщепляют мо
лекулы пищи на их составные части и затем повторно собирают эти части, чт
обы строить и обновлять ткани. Многие детали структуры человеческих кле
ток остаются неизвестными (отдельные клетки содержат миллиарды больши
х молекул тысяч различных видов), но биохимики нанесли на карту каждую ча
сть некоторых вирусов. Биохимические лаборатории часто вешают на стену
огромную диаграмму, показывающую, как основные молекулярные строитель
ные блоки плавают внутри бактерии. Биохимики понимают в деталях многое и
з жизненных процессов, а то, что они не понимают по-видимому действует по
тем же самым принципам. Тайна наследственности превратилась в индустри
ю генной инженерии. Даже эмбриональное развитие и память сейчас объясня
ются в терминах изменения в биохимии и клеточной структуре.
В последние десятилетия само качество нашего остающегося незнания изм
енилось. Когда-то, биологи смотрели на жизненный процесс и спрашивали: "Ка
к это может быть?" "Но сегодня они понимают общие принципы жизни, и когда он
и изучают специфический жизненный процесс, они обычно спрашивают: "Из мн
огих способов, как это может быть, какой выбрала природа?" Во многих случая
х их исследования сузили конкурирующие объяснения в какой-либо области
до одного. Определённые биологические процессы Ц координация клеток д
ля образования растущего эмбриона, обучающегося мозга и реагирующей им
мунной системы Ц всё ещё представляют серьёзную задачу для воображени
я. Однако это не потому, что есть какая-то глубокая тайна в том, как работаю
т их части, но из-за громадной сложности того, как их многие части взаимод
ействуют друг с другом, чтобы образовывать целое.
Клетки подчиняются тем же самым естественным законам, которые описываю
т и остальную часть мира. Белковые машины в правильном молекулярном окру
жении будут работать, остаются ли они в функционирующей клетке или эта к
летка была ли размолота и размыта многие дни назад. Молекулярные машины
ничего не знают о «жизни» и "смерти".
Биологи, когда им нужно, иногда определяют жизнь как способность расти, в
оспроизводиться и реагировать на раздражители. Но по этому стандарту, гл
упая система самовоспроизводящихся фабрик могла бы квалифицироваться
как жизнь, в то время как сознательный искусственный интеллект, смоделир
ованный на человеческом мозге мог бы так не квалифицироваться. Являются
ли вирусы живыми или они «просто» очень совершенные молекулярные машин
ы? Никакой эксперимент не может об этом сказать, потому что природа не про
водит никакой линии между живым и неживым. Биологи, которые работают с ви
русами, вместо этого задают вопрос о жизнеспособности: "Будет ли этот вир
ус функционировать, если ему дать возможность?" Ярлыки «жизнь» и «смерть
» в медицине зависят от медицинских возможностей: врачи спрашивают: "Буд
ет ли пациент функционировать, если мы приложим все усилия?" Когда-то врач
и объявляли пациентов мёртвыми как только останавливалось сердце; тепе
рь они объявляют пациентов мёртвыми, когда они теряют надежду на восстан
овление мозговой деятельности. Успехи в кардиологии когда-то изменили о
пределение; успехи в медицине мозга изменят его ещё раз.
Также некоторые люди чувствуют себя некомфортно с идеей, что машины лежа
т в основе нашего мышления. Слово «машина» снова, кажется, вызывает непра
вильный образ Ц картину чего-то большого, гремящего металлом, а не мерца
ние сигналов вдоль бегущей волны или нейронным волокнам, по живой ткани,
более сложной чем способен полностью понять разум, который она воплощае
т. Действительно подобные машинам машины мозга имеют размер молекул Ц м
еньше, чем самые тонкие волокна.
Целое не обязательно должно походить на свои части. Твёрдый кусок чего-н
ибудь едва ли походит на танцующий фонтан, однако совокупность твердых,
бугристых молекул образует текучую воду. Подобным образом миллиарды мо
лекулярных машин образуют нейронные волокна и синапсы, тысячи волокон и
синапсов образуют нервную клетку, миллиарды нервных клеток образуют мо
зг, а сам мозг воплощает текучесть мысли.
Сказать, что разум Ц это "всего лишь "молекулярные машины" " Ц подобно выс
казыванию, что Мона Лиза является "только мазками краски. "Такие утвержде
ния путают части с целым, и путают материю со структурой, которую материя
воплощает. Мы нисколько не менее человечны из-за того, что сделаны из моле
кул.
От лекарств к машинам ремонт
а клеток
Будучи сделанными из молекул, и имея человеческое беспокойство о нашем з
доровье, мы применим молекулярные машины к биомедицинской технологии. Б
иологи уже используют антитела, чтобы помечать белки, ферменты Ц чтобы
разрезать и соединять ДНК, а шприцы вирусов (такие как у вируса-фага T4) Ц ч
тобы впрыскивать отредактированную ДНК в бактерию. В будущем они будут и
спользовать построенные ассемблерами наномашины, чтобы исследовать и
модифицировать клетки.
С инструментами, подобными дизассемблерам, биологи будут способны изуч
ить структуры клетки до конца, до молекулярных деталей. Далее они занесу
т в каталог сотни тысяч видов молекул тела и построят карту структуры со
тен видов клеток. Во многом также как инженеры могли составлять перечень
частей и создавать инженерные чертежи автомобиля, также биологи опишут
части и структуры здоровой ткани. К тому времени им будут помогать сложн
ые системы технического ИИ.
Врачи стремятся сделать ткани здоровыми, но с помощью лекарств и хирурги
и, они могут только стимулировать ткани себя восстанавливать. Молекуляр
ные машины дадут возможность более непосредственного ремонта, начиная
новую эру в медицине.
Чтобы починить автомобиль, механик сначала добирается до дефектного уз
ла, затем опознает и удаляет плохие части, и наконец их восстанавливает и
ли заменяет. Ремонт клетки будет включать те же самые основные задачи Ц
задачи, которые живые системы уже доказали, что они возможны.
Доступ. Белые клетки крови покидают кровяное русло и движутся через ткан
ь, а вирусы входят в клетки. Биологи даже втыкают в клетки иглы, и это их не у
бивает. Эти примеры показывают, что молекулярные машины могут добиратьс
я и входить в клетки.
Распознавание. Антитела и волокна хвоста фага T4, а на самом деле все специ
фические биохимические взаимодействия, показывают, что молекулярные с
истемы, входя в контакт с другими молекулами, могут их распознавать.
Разборка. Пищеварительные ферменты (и другие, более жестокие химические
вещества) показывают, что молекулярные системы могут разбирать поврежд
енные молекулы.
Восстановление. Воспроизводящиеся клетки показывают, что молекулярные
системы могут строить или восстанавливать любую молекулу, обнаруживае
мую в клетке.
Повторная сборка. Природа также показывает, что отделенные молекулы мог
ут быть собраны вместе снова. Например, механизмы фага T4 собирают сами себ
я из раствора, чему, очевидно, помогает единственный фермент. Воспроизво
дящиеся клетки показывают, что молекулярные системы могут собирать люб
ую из систем, обнаруживаемых в клетке.
Таким образом, природа демонстрирует все основные операции, необходимы
е, чтобы выполнять ремонт клеток на молекулярном уровне. Что более важно,
как я описал в главе 1, системы, основанные на наномашинах, будут большей ч
астью более компактны и обладать большими возможностями, чем обнаружив
аемые в природе. Естественные системы показывают только нижние границы
возможного в ремонте клеток, также как и во всём остальном.
Машины ремонта клеток
Короче говоря, с молекулярной технологией и техническим ИИ мы будем дела
ть полные описания здоровой ткани на молекулярном уровне, и будем строит
ь машины, способные входить в клетки, понимать и изменять их структуры.
Машины ремонта клеток будут сопоставимы по размеру с бактериями и вирус
ами, но их более компактные части ""позволят им быть более сложными. Они бу
дут проходить через ткань, как это делают белые клетки крови, и входят в кл
етки, как это делают вирусы, или они могли бы открывать и закрывать клеточ
ные мембраны с хирургической аккуратностью. Внутри клетки машина ремон
та первым делом составит представление о ситуации, исследуя содержимое
клетки и её функционирование, а далее будет предпринимать действия. Перв
ые машины ремонта клеток будут высоко специализированными, способными
распознавать и исправлять только один тип молекулярных нарушений, таки
х как дефицит ферментов или форма повреждения ДНК. В дальнейшем (но не нам
ного позже, так как продвинутые системы технического ИИ будут выполнять
работы по разработке) машины будут программироваться более общими спос
обностями.
Для сложных машин ремонта будут нужны нанокомпьютеры, чтобы ими управля
ть. Механический компьютер шириной в микрон, такой как описан в главе 1, бу
дет умещаться в 1/1000 объема средней клетки, однако будет вмещать больше инф
ормации, чем клеточная ДНК. В системе ремонта, такие компьютеры будут упр
авлять более маленькими и простыми компьютерами, которые в свою очередь
будут управлять машинами, направляя их на исследование, разборку и перес
тройку повреждённых молекулярных структур.
Отрабатывая молекулу за молекулой и структуру за структурой, машины рем
онта будут способны восстанавливать целые клетки. Отрабатывая клетку з
а клеткой и ткань за тканью, они (с помощью больших устройств, там, где это н
еобходимо) будут способны восстанавливать целые органы. Отрабатывая ор
ган за органом по всему телу, они восстановят здоровье. Так как молекуляр
ные машины будут способны строить молекулы и клетки с нуля, они будут спо
собны исправлять даже клетки, повреждённые до степени полной неработос
пособности. Таким образом с машинами ремонта клеток произойдёт фундаме
нтальный прорыв: они освободят медицину от необходимости полагаться на
самовосстановление как единственный способ лечения.
Чтобы представить себе продвинутую машину ремонта клеток, представьте
себе её и клетку увеличенными так, что атомы станут размером с маленький
мраморный шарик. В этом масштабе самые маленькие инструменты машин ремо
нта будут примерно с кончики ваших пальцев; белок среднего размера, тако
й как гемоглобин, будет размером с печатающую машинку; а рибосома будет р
азмером со стиральную машину. Устройство ремонта содержит простой комп
ьютер размером с небольшой трактор, и условия для хранения информации и
приводящей в движение энергии. Объём в десять метров в диагонали Ц разм
ер 3-этажного дома, содержит все эти части и более этого. С частями размеро
м с мраморные шарики, умещённые в этот объём, машины ремонта смогут делат
ь сложные вещи.
Но такое ремонтное устройство не работает в одиночестве. Оно, также как м
ногие его братья и сёстры, связано с большим компьютером посредством мех
анических связей для передачи данных, диаметром как ваша рука. В этом мас
штабе, компьютер размером в кубический микрон с большой памятью заполни
т объем в тридцать этажей в высоту и шириной как футбольное поле. Ремонтн
ые устройства передают ему информацию, а он предаёт обратно общие инстру
кции. Объекты такие большие и сложные тем не менее достаточно маленькие:
в этом масштабе сама клетка будет длинной в километр, вмещая в себе тысяч
и объёмов компьютеров размером в один кубический микрон, и миллионы раз
вмещая в себе объём отдельного ремонтного устройства. В клетках много ме
ста!
Будут ли такие машины способны делать все необходимое для восстановлен
ия клеток? Существующие молекулярные машины демонстрируют способность
проходить через ткани, входить в клетки, распознавать молекулярные стру
ктуры, и т. д., но остальные требования также важны. Будут ли машины ремонта
работать достаточно быстро?
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40