Макроскопические машинысостоят из взаимодействующих узлов и деталей. Например, автомобиль состоит из большого числа деталей прочно соединенных с помощью болтов, заклепок, сварки, и других приемов для соединения деталей. Большинство наномашин также состоят из набора взаимодействующих частей, и для контроля взаимодействия между этими частями необходимы методы молекулярного распознавания. Большинство принципов, которые используются в макромашиностроении, не применимы в нано-мире. В частности, присущая нанообъектам атомная гранулярность представляет собой одно из наиболее часто встречающихся и сложнопреодолимых препятствий.
Нанообъекты обычно взаимодействуют посредством прямого контакта всего лишь нескольких десятков атомов. В нано-масштабах невозможно обеспечить любые желаемые допуски и посадки, и нет того диапазона материалов для обеспечения сочленения частей машин, как это принято в макро-машиностроении. Мы ограничены всего несколькими типами атомов и их взаимодействиями посредством дисперсионных или электростатических сил, или через образование водородных связей. Более того, мы ограничены определенной геометрией связей, которые связывают атомы в молекулах. Нельзя спроектировать нано-компоненты любой произвольной формы. Каждая из нано-деталей должна быть "изготовлена" из целого числа атомов, соединенны
Принципы молекулярного узнавания Крейна Еще до того, как была определена атомная структура первых биомолекул, физик Г.Р. Крейн сформулировал два принципа, в соответствии с которыми должно происходить макромолекулярное узнавание в самоассемблирующихся систем
Принцип множественности слабых парных взаимодействий. Для обеспечения высокой специфичности между интерфейсными поверхностями обеих взаимодействующих частей должно образовываться много слабых взаимодействий. Этот принцип совсем не очевиден. Может показаться, что, наоборот, лучше использовать одну, но сильную связь. Использование одной или нескольких прочных связей, действительно, обеспечит высокую стабильность. Но не обеспечит специфичность. Поскольку одинаковое пространственное расположение всего двух (или нескольких) атомов может быть (случайно) достигнуто для произвольной комбинации взаимодействующих частиц, то это увеличивает риск образования случайных неверных комплексов. А вот использование целого массива слабых парных взаимодействий гарантирует специфичность, ибо каждая пара взаимодействующих
Принцип комплексной комплементарности. Взаимодействующие поверхности двух нанообъектов должны быть геометрически (топологически) подобны, точнее, должны быть комплементарны друг другу. Именно такая комплементарность обеспечит правильное взаимное расположение атом
В биологических молекулах эта комплементарность включает в себя как "геометрическую комплементарность", когда выступы на поверхности одной молекулы точно совпадают с впадинами на поверхности другой молекулы, так и "химическую комплементарность", при которой в нужных позициях оказываются именно те атомы и функциональные группы, которые и формируют водородные связи или электростатическое притяжение. Такая комплексная геометрически-химическая комплементарность является важной для реализации специфичности взаимодействий. Так выступ на одной из поверхностей не только должен точно подходить к впадине на другой, комплементарной, поверхности, но и не даст сформировать связь с поверхностью, у которой нет соответствующей впадины.
Добавление одной метильной группы в роли такого выступа на одной из взаимодействующих поверхностей может быть достаточно для того, чтобы исключить связывание макромолекул. Например, метилирование рестрикционных сайтов защищает ДНК бактерий от действия рестрикционных ферментов. С другой стороны, если по какой либо причине одна из множества водородных связей не будет сформирована, это не дестабилизирует фатально процесс межмолекулярного связывания. Грамотно сконструированный белок должен иметь уникальную интерфейсную поверхность, обеспечивающую связь только с необходимым партнером и исключающую связь с любыми другими конкурирующими молекулами.
Два принципа Крейна: Множественность слабых парных взаимодействий и комплексная комплементарность – работают в сотнях исследованных природных бионаномашин. Биомолекулы взаимодействуют через развитые интерфейсные поверхности, формируя множественную систему слабых взаимодействий, расположенных вдоль идеально комплементарных поверхностей.
В молекулярном узнавании в большинстве случаев используются нековалентные взаимодействия, а ковалентное связывание происходит достаточно редко. Ковалентное связывание используется только при необходимости образования прочных (неразъемных) структур. Вместо ковалентного связывания обычно используется комбинация водородных связей, электростатических взаимодействий между заряженными атомами и гидрофобные взаимодействия.