Сам факт того, что инструменты, которые создала природа (рибосомы, ферменты, ДНК), постоянно функционируют в живой клетке, позволяет нам в настоящее время пытаться создавать работающие бионаномашины. Спроектировать функциональную бионаномашину – это представляется труднопреодолимой проблемой. К счастью природа снабдила нас множеством примеров, которые помогают решить эту задачу функционального конструирования в наномасштабе. Нанофункциональность – это как раз та область, в которой эволюция достигла превосходных результатов. Мы можем обнаружить природные бионаномашины, которые выполняют практически все мыслимые функции. В клетке мы можем найти работающие ассемблеры, сенсоры, моторы, целые конвейеры, жёсткие и эластичные материалы, адгезионные материалы и др. Всё это создано с использованием ограниченного набора "строительных модулей. Поскольку они были созданы эволюционным образом, они имеют непривычную для нас органическую архитектуру, для которой не характерны чёткие обводы привычных нам макромашин. Но множество базовых функций бионаномашин можно свести, в конце концов, к надлежащему позиционированию в пространстве всего лишь нескольких ключевых атомов. А для функциональности всё равно, каким образом она будет достигнута: либо используя кристаллическую решетку (наподобие алмазной), либо используя белковую архитектуру – в обоих случаях функция, выполняемая этими несколькими функциональными атомами, будет одинаковой.
Ассемблирование, синтез, строительство, которое управляется определённым образом организованными данными, то есть информацией, являются фундаментальным признаком любой технологии. Успешность любой технологии определяется нашей способностью организовать, ассемблировать исходные материалы в конечный продукт, руководствуясь определёнными наборами инструкций – компьютерными программами, сборочными чертежами, технологическими картами и регламентами – теми информационными пакетами (той проектной документацией), которые разрабатываются до начала собственно применения технологии. Эти информационные пакеты собственно и определяют последовательность использования более-менее стандартных ассемблеров (инструментов, станков, другого оборудования) для достижения нужного результата. Иначе нам бы пришлось для каждого технологического процесса создавать уникальный ассемблер (оборудование), что непомерно бы удорожало практическую реализацию новых методов или устройств. Если же изначально разработать и создать те универсальные ассемблеры, работу которых можно программировать с помощью соответствующих наборов инструкций (информацинно-управляемые ассемблеры), то дальнейшее использование таких ассемблеров сводится просто к написанию соответствующих информационных пакетов. Этот принцип используется везде в макроинженерии. Компьютеры и прочие радиоэлектронные устройства конструируются по принципиальным и монтажным схемам из стандартных электронных деталей.
Молекулярная нанотехнология надеется создать ассемблер, который сможет, основываясь на заранее составленной программе, непосредственно соединять атомы друг с другом, "прижимая" их соответствующим образом. Вся жизнь на Земле, равно как и большинство бионанотехнологий, связаны с ассемблерами, которые синтезируют белки по тем инструкциям, которые записаны и хранятся в ДНК. Эти ассемблеры – рибосомы – синтезируют белки любой длины и любого состава, основываясь на наборе инструкций, записанном генетическим кодом. Информационноуправляемый синтез белков является чрезвычайно сложным процессом, требующим согласованного действия сотен наномашин. Клетки содержат наборы "инструментов" для хранения, изменения (редактирования), копирования (дуплицирования) и восстановления повреждённых "чертежей", и молекулярные устройства для использования (чтения) этой информации для синтеза белков. Вся эта система работы с генетической информацией настолько надежна, что её можно изъять из клетки, и она будет успешно осуществлять синтез белков под нашим контролем. С другой стороны, сами клетки могут быть изменены таким образом, чтобы они использовали существующие в них биосинтетические системы для синтеза необходимых нам белков. В любом случае, созданная природой система биосинтеза белков позволяет нам конструировать искусственные бионаномашины.
"Технологические инструкции" для процесса биосинтеза белков хранятся в молекулах ДНК. Информация закодирована последовательностью четырёх азотистых оснований. Генетический код очень прост и универсален. Для примера рассмотрим малый белок. Молекула инсулина содержит две полипептидные цепи А и В, соединённый дисульфидными мостиками). Фрагмент генома человека, в котором закодирован инсулин содержит два участка, кодирующих две полипептидные цепи, входящие в молекулу инсулина, разделенные некодирующим сегментом. Функциональная молекула инсулина, содержащая две полипептидные цепи. Генетическая информация переносится с одной нити нуклеиновой кислоты на другую, благодаря специфическому взаимодействию нуклеиновых оснований: аденина с тимином (или урацилом) и гуанина с цитозином. Этот перенос информации является прямым (без посредников) – нуклеиновые кислоты реплицируются непосредственным выстраиванием комплементарных нуклеотидов вдоль одинарной родительской нити с последующим соединением их в полинуклеотид. В природных системах перенос информации с одной нуклеиновой кислоты на другую осуществляется ферментами полимеразами. Эти ферменты двигаются шаг за шагом вдоль нити нуклеиновой кислоты и подбирают комплементарные нуклеотиды для каждого нуклеинового основания нуклеиновой кислоты, формируя комплементарную нуклеиновую нить. РНК-полимераза синтезирует РНК-нить по ДНК-матрице. ДНК-полимераза синтезирует ДНК-нить по ДНК-матрице. Некоторые вирусы имеют специфические ферменты, которые переносят генетическую информацию нестандартным образом:
- РНК-зависимые полимеразы синтезируют РНК-нити по РНКматрице;
- обратные транскриптазы синтезируют ДНК-нити по РНКматрице.
Для того чтобы полимераза была эффективной, необходимо, чтобы она обладала рядом свойств, главным из которых является точность (безошибочность) синтеза комплементарного полинуклеотида. Многие полимеразы чрезвычайно точно осуществляют операцию копирования. Например, бактериальная ДНК-полимераза ошибается примерно один раз на триллион добавляемых нуклеотидов, и при этом синтезирует новый полинуклеотид со скоростью 1000 нуклеотидов в секунду. Для бактерий это означает приблизительно одну ошибку на тысячу поколений клеток.
Работа полимеразы значительно улучшается, если на время синтеза она дополнительно фиксируется на молекуле ДНК специальным белковым "захватом", например, белком PCNA, который фиксирует на ДНК полимеразу Pold в репликационной вилке вируса SV40
Все ферментативные "инструменты" для работы с генетической информацией достаточно хорошо исследованы. Большинство из них доступны на рынке биотехнологических продуктов и широко используются в лабораторных исследованиях. В этот набор ферментов входят:
- Полимеразы, которые синтезируют новые нуклеиновые нити по матричным нитям.
- Нуклеазы, которые разрезают нуклеиновые нити.
- Лигазы, которые соединяют фрагменты нуклеиновых цепей (катализируют образование фосфодиэфирной связи между крайними нуклеотидами цепей, формируя непрерывный ковалентно связанный сахарофосфатный остов).
- Репрессоры, факторы транскрипции, энхансерные белки и другие регуляторные белки, связывающиеся с нуклеиновой кислотой и регулирующие скорость и способ использования генетической информации.
- Вырезающие нуклеазы, специфические к данному нуклеиновому основанию. Они используются для коррекции ошибок синтеза.
- Топоизомеразы разрешают топологические проблемы, которые возникают при манипулировании с длинными молекулами ДНК. Они снимают напряжение в сверхспирализованных молекулах и позволяют "пройти" одной молекуле ДНК через другую ДНК, которая "пересекает" ей путь.
- Рекомбиназы отрезают фрагмент одной нити ДНК и заменяют его подобным фрагментом с другой нити ДНК.
- Сплайсосомы "редактируют" про-РНК, удаляя интроны и соединяя экзоны.
Нуклеосомы и другие белки упаковывают ДНК в хроматин для "длительного хранения" генетической информации.