激进想法疑无出路　模仿大自然中的纳米机器离现实颇远（走近纳米技术<三>）

【美国《科学美国人》月刊9月号文章】题：从前与未来的纳米机器（作者
乔治·怀特塞兹）
在纳米技术可望取得的成果中，微型机器历来占有突出的位置。对两种微型机器的想象得到了广泛的关注。第一种是纳米级潜艇，其体积仅有几十亿分之一米——即相当于几十个或几百个原子的长度。有人认为，这种机器通过在血液中游弋、找出患病细胞并将其摧毁，可以应用于医学领域。
第二种微型机器———即所谓装配器———是更激进的想法，这个想法最早是由未来学家埃里克·德雷克斯勒提出的。这种机器没有宏观对应物。它将是一种新型机器——通用的装配器。它能通过原子级“捡放”装置———一套可以将单个原子从其环境中捡起并放置到适当位置的纳米钳———制造任何结构，包括它自己。按照德雷克斯勒的看法，社会将被微型机器永远改变，这些机器能以几近于零的成本在几个小时内制造一台电视机或计算机。这种想法也有令人担忧的一面。这种装配器自我复制的可能性让人联想到被称为灰色甜蜜的前景：无数进行自我复制的纳米装配器复制出无数个自己，并在此过程中蹂躏地球。
一连串问题
纳米级机器的想法有意义吗？它们能被制造出吗？如果可以，那么它们是人们熟悉的大尺寸类似机器的具体而微者，还是以其他原理运行的机器呢？它们真的可能蹂躏地球吗？
我们可以提出一个更普通的问题——机器是什么——来回答这些令人费解的问题。尽管机器被普遍视为人类设计和发明的产物，为何发挥某种功能的复杂分子体系不应被视为机器呢，即便它是进化的产物，而不是设计的产品？
技术问题姑且不论，并且接受这种广泛定义，那么，纳米机器已经存在，其存在形式是多种多样并高度复杂的活细胞有机分子成分，例如，蛋白质分子或核糖核酸（RNA）、聚合分子和细胞器（所谓“小器官”）。生物学家在多年前便对纳米机器是否存在的问题做了肯定回答。现在的问题是：什么是未来纳米机器能够利用的最有意思的设计？如果存在风险，会是什么样的风险呢？
细胞包括一些分子机器，这些分子机器类似于人们熟悉的常规机器：固定在细菌细胞膜上的一个旋转“发动机”带动一个轴，看上去与电子发动机很相似。其他的分子机器与常规机器不很相似：核糖核酸和蛋白质的结合体———核糖体——通过类似装配线的程序制造蛋白质。而一些分子机器在常规机器中没有明显的对应物：一种蛋白质———拓扑异构酶———在双链脱氧核糖核酸（DNA）缠绕太紧时将其放松。这些细胞器在细胞中的组建方式堪称系统与组织的典范，全然不同于人们提出的构建装配器的粗略方法。
至于蹂躏世界的问题：从某种程度上讲，生物分子的集合已经对世界造成了破坏。在生命出现之前，地球的生存状态与如今大不相同。
所以，问题不是纳米技术能否存在——它们已经存在——或者说它们是否重要；问题是，我们应该到哪里寻找设计的新理念。我们应该考虑通用汽车装配线，还是大肠杆菌的内部结构？让我们从比较生物纳米机器——特别是最根本的自我复制生物系统，细胞———与模拟我们周围的大型机器的纳米机器开始。
分子复制机器
细胞是一个自我复制结构。它从其环境中提取分子，将其中一些加工成燃料，接着将其他分子再加工成它通常用来制造、维护、搬运和保护自己的物质。DNA储存世世代代人体组建与运行需要的信息。一种RNA（信使RNA,亦称mRNA）作为这些信息的临时记录，“告诉”核糖体制造什么样的蛋白质。细胞膜为封闭工作部件和控制分子流出流入细胞的通道提供独立空间，并掌握感觉细胞环境的分子。蛋白质（常与其他分子合作）在分子内构建所有的生命物质，并在必要时搬运分子部件。
细胞用以制造部件——随后进行复制和维护———的方式基于两个概念。第一，利用单一、概念明确的化学过程——分子聚合——制造大型线性分子。第二，建造自然折叠成三维有机结构的分子。这种两步方式无需其他和复杂的三维捡放组建方式：它只是将豆子（例如，氨基酸）穿成项链（多肽）并让项链自我组装成机器（蛋白质）的过程。于是，最后的有机三维结构的信息被记录在一连串的“豆子”上。细胞中最重要的3类分子———DNA、RNA和蛋白质———都是以这种方式生成的；蛋白质随后在细胞中制造其他分子。在许多情况下，蛋白质自觉与其他分子——蛋白质、核酸、小分子——结合，形成更大的有机结构。作为建造复杂三维结构的策略，不同阶段的分子自我组装所遵循的这种线性合成方法的效率可能是无与伦比的。
从根本上讲，细胞是催化剂（促使化学反应发生，而自身不参与其中的分子）与其他有机核素——传感器、结构元素、泵、发动机——的集合。因此，细胞中的大部分纳米机器最终是分子催化剂。这些催化剂完成细胞的大部分工作：它们形成脂质（比如，脂肪），脂质随后自我组合成包裹细胞的弹性薄片；它们形成分子自我复制必需的部件；它们为细胞提供动力并调节其动力消耗；它们建立有序且有效的信息存储库；它们在适当的操作范围内维护细胞的内部环境。
在细胞使用的许多奇特的分子机器中，核糖体是关键成分。它由核糖体RNA（rRNA）与蛋白质组成：它处于信息与活动的交叉点——在核酸与蛋白质之间。它是一种极为精巧的机器，提取信使RNA上的信息并用之建造蛋白质。（上）
图片：
①在许多细菌身上发现的鞭状尾巴，是由纳米发动机推动的。这种微小的生化发动机转动一个轮转式的杆，杆再去旋转这些尾巴，即鞭毛，并使这些细菌在液体中前进。
②这种标准电动机的工作原理与生化旋转发动机（见右上方的图）的原理相似，生化发动机转动细菌的鞭毛。