Uhlie a diamanty, piesok a počítačové čipy, nádor a zdravé tkanivo: celé veky jednotlivé variácie v zoskupení atómov odlišujú lacné od honosného, choré od zdravého. Zoskupené jedným spôsobom atómy tvoria zeminu, vzduch a vodu; zoskupené druhým spôsobom tvoria zrelé jahody. Hľa, zoskupené takto tvoria domov a čerstvý vzduch, zoskupené onak tvoria popol a dym.

Naša schopnos? preskupova? atómy je základným kameňom našich technológií. Dostali sme sa v nej ďaleko - od štiepania pazúrika až k hliníku v raketách. Sme hrdý na naše technológie - na naše lieky čo zachraňujú život, na naše stolné počítače. Naše vesmírne plavidlá sú však stále ?ažkopádne, naše počítače stále príliš hlúpe, molekuly v našich telách stále upadajú do stavov neusporiadanosti, ničiac tak najprv zdravie, následne i život samotný. Napriek všetkým našim pokrokom pri práci s atómami stále užívame primitívne metódy.

Prírodné zákony nám nechávajú množstvo miesta pre ďalší rozvoj, tlaky celosvetovej konkurencie nás chtiac-nechtiac posúvajú vpred. Či v dobrom alebo zlom, najväčší technologický zlom histórie je stále pred nami.

Dva štýly technológií

Naše moderné technológie vychádzajú zo starobylej tradície. Pred tridsiatimi tisícmi rokov bolo štiepanie pazúrika hitom dňa. Naši predkovia uchopili kamene obsahujúce trilióny triliónov atómov a odstránili úlomky obsahujúce bilióny triliónov atómov. Ich zručnos? v tomto remesle dnes dokážeme napodobni? len s ?ažkos?ami. Na stenách francúzskych jaskýň nam zanechali obrazce - namiesto štetcov použili vlastné ruky. Neskôr začali vyrába? hrnce pálením hliny, potom bronz varením kameňov. Udieraním bronz tvarovali. Začali vyrába? želežo, potom oceľ, vytvarovali ju nahriatím, udieraním, štiepaním.

Vyrábame čistú keramiku a silnejšiu oceľ, avšak i dnes ich tvarujeme udieraním, štiepaním atď. Vyvaríme čistý kremík , narežeme ho na plátky a na jeho povrch vyryjeme obrazce pomocou jemných čepelí a svetelných lúčov. Tieto produkty nazývame "chipy" a považujeme ich za výnimočne malé, aspoň v porovnaní so sekerami. Mikroelektronika nám umožňuje "napcha?" stroje s výkonom sálových počítačov z 50tych rokov na niekoľko kremíkových chipov vo vreckovom počítači. Inžinieri vyrábajú stále menšie zariadenia slinging herds atómov na povrchu kryštálu vďaka čomu získavajú jemné dráty a komponenty široké ako jedna desatina vlasu.

Podľa štandartov pravekého človeka sú tieto mikroobvody istotne dostatočne malé, napriek tomu však každý tranzistor stále obsahuje trilióny atómov. Takzvané "mikropočítače" sú stále viditeľné volným okom. V porovnaní so štandartmi novej, oveľa mocnejšej technológie budú ako Gulliver medzi liliputánmi.

Nazvime starobylý štýl technológie - od štiepania pazúrika až k silikónovým čipom - narábajúci s obrovskými zhlukmi atómov a molekúl zhlukové technológie. Nový štýl ktorý bude manipulova? jednotlivé atómy a molekuly presne a kontrolovane nazvime molekulárnymi technológiami. Zmení náš svet oveľa viac ako si dokážeme predstavi?.

Časti mikroobvodov meriame v mikrometroch - tj. v milióntinách metra - ale molekuly meriame v nanometroch (tisíckrát menšie). Budeme používa? termíny nanotechnológie a molekulárne technológie ako synonymá aby sme opísali tento nový štýl technológií. Inžinieri tejto novej technológie budú stava? ako nanoobvody, tak aj nanozariadenia.

Molekulárne technológie dneška
Jedna zo slovníkových definícií stroja znie "ľubovolný systém, zväčša zložený z pevných telies, sformovaný a pospájaný na obmenu, prenos a usmernenie použitých síl predom určeným spôsobom dosahujúc tak špecifické účinky ako je napr. konanie potrebnej práce". Molekulárne stroje viac ako dostatočne napĺňajú túto definíciu.

Aby sme si dokázali predstavi? tieto stroje, musíme si najprv vedie? predstavi? molekuly. Jednotlivé atómy si môžeme predstavi? ako perly a molekuly ako zhluky týchto perál, napríklad ako detské guľôčky pospájané sponami. V skutočnosti chemici niekedy vizualizujú molekuly pomocou modelov postavaných z plastových guličiek (niektoré z nich sú schopné napája? sa do viacerých smerov). Atómy sú zaguľatené ako perly a ajkeď molekulárne väzby niesú spony, náš obraz dostatočne vystihuje základný predpoklad že tieto väzby môžu by? ako narušené, tak znovu utvorené.

Pokiaľ by bol atóm veľký ako detská gulôčka, priemerne komplexná molekula by bola o veľkosti vašej päste. Toto je istotne nápomocný mentálny obraz, ale atómy sú v skutočnosti veľké ako 1/10 000 baktérie a baktéria je približne veľká ako 1/10000 komára. (Samotné atómové jadro o sebe je však približne veľké ako 1/100 000 samotného atómu; rozdiel medzi atómom a jeho jadrom je rozdielom medzi ohňom a jadrovou reakciou)

Veci okolo nás robia to čo robia v závislosti od toho ako sa chovajú molekuly z ktorých sa skladajú. Vzduch nedrží ani tvar ani objem pretože molekuly vzduchu sa voľne pohybujú otvoreným priestorom - samozrejme pokiaľ nenarážajú jedna do druhej. Molekuly vody sa aj pri svojom pohybe držia jedna druhej, preto si voda udržuje konštantný objem aj za zmeny tvaru. Meď si udržuje svoj tvar pretože jej atómy sú pravidelne pospájané ; môžeme ju ohýba? a všemožne ju ku? - jej atómy môžu po sebe navzájom kĺza? ostávajúc navzájom naviazané. Sklo sa však po údere kladivom rozpadá - jeho atómy sa od seba oddelia predtým ako sa navzájom pohnú. Guma sa skladá zo siete pružných molekúl, podobne ako guča strún. Keď ju natiahneme a pustíme, jej molekuly sa napnú a potom znova zvinú. Tieto jednoduché molekulárne formy tvoria pasívne zlúčeniny. Komplexnejšie formy nachádzame v nanostrojoch živých buniek.

Biochemici už dokážu pracova? s týmito miniatúrnymi strojmi ktoré sú zložené najmä z proteínov. Proteíny, inak povedané bielkoviny, sú hlavným stavebným materiálom žijúcich buniek. Tieto molekulárne stroje majú relatívne málo atómov, a preto majú hrboľatý povrch tak ako teleso ktoré by sme získali keby sme pozliepali za hrs? detských guľôčok. Je treba doda? že mnohé atomárne dvojice sú pospájané väzbami ktoré možno ohýba? a rotova? - z tohto dôvodu sú zväčša bielkovinové stroje vysoko flexibilné. Tak ako všetky ostatné stroje sú zložené z častí rozličných tvarov a veľkostí ktoré sú schopné vykonáva? užitočnú prácu. Súčasti všetkých strojov využívajú zhluky atómov. Proteínové stroje jednoducho využívajú veľmi malé zhluky.

Biochemici snívajú o navrhovaní a vytváraní takýchto strojov - predtým však bude treba prekona? mnohé prekážky. Inžinieri používajú svetelné paprsky aby na silikónovom chipe vytvorili potrebný obrazec, avšak chemici musia tvori? za využitia oveľa nepriamejšich metód. Keď v jednotlivých krokoch kombinujú molekuly, majú len veľmi obmedzené možnosti kontroly nad spájaním jednotlivých molekúl. Keď biochemici potrebujú komplexné molekulárne stroje, stále si ich musia vypožiča? od buniek. Pokročilé molekulárne stroje nám však umožnia stava? nanoobvody a nanostroje tak jednoducho a priamo ako dnešný inžinieri vyrábajú mikroobvody a práčky. Od tohto momentu bude pokrok svižný a dramatický.

Genetický inžinieri nám naznačujú smer ktorým sa budeme ubera?. Keď obyčajne chemik vytvára molekulárne re?azce - nazývané "polyméry" - vloží molekuly do nádoby s tekutinou, kde do seba navzájom náhodne narážajú a spájajú sa. Výsledné re?azce majú rozličné dĺžky bez presného usporiadania molekúl.

Ale za využitia moderných prístrojov pre génovú syntézu dokážu genetický inžinieri vytvára? usporiadané polyméry - špecifické DNA molekuly - kombináciou molekúl v danom poradí. Tieto molekuly sú nukleotidy DNA (písmená genetickej abecedy) a genetický inžinieri ich navzájom nezmiešavajú dokopy. Naopak, keď chcú vytvori? konkrétnu správu , prikážu prístroju aby pridal rozličné nukleotidy do dotyčnej sekvencie postupne. Naviažu jeden druh nukleotidu na konce re?azca, odplavia zvyšný materiál a pripravia konce re?azca na naviazanie ďalšieho nukleotidu. Re?azce narastajú tak ako sa nukleotidy naväzujú, jeden po druhom, v rámci naprogramovanej sekvencie. Najprvší nukleotid re?azca ukotvia na pevný povrch, zabránia tak odplaveniu re?azca s jeho chemickou kúpeľou. Takýmto spôsobom dokáže ich ?ažkopádna skrinka vytvori? špecifické molekulárne štruktúry z častíc stomiliónkrát menších ako má sama.

Ale tento slepý proces chtiac-nechtiac vynechá nukleotidy v niektorých re?azcoch. Pravdepodobnos? výskytu chyby narastá s dĺžkou re?azca. Tak ako robotníci vyraďujú zlé časti automobilu pred konštrukciou automobilu, znižujú genetický inžinieri výskyt chýb vyraďovaním zlých re?azcov. Ak chcú potom pospája? tieto krátke re?azce na fungujúce gény (zvyčajne o dĺžke tisícov nukleotidov) , musia sa obráti? na molekulárne stroje obsiahnuté v baktériách.

Tieto proteínové stroje nazývané reštrikčné enzýmy, "čítajú" niektoré sekvencie DNA ako "tu odsekni". Dotykom, prilepením sa, prečítajú tieto genetické vzory, a rozrežú re?azec preskupením niekoľkých atómov. Iné enzýmy re?azce spájajú - zodpovedajúce časti prečítajú ako "tu zlep". Za využitia prístrojov na zápis a reštrikčných enzýmov na rezanie a vkladanie dokážu genetickí inžinieri napísa? a upravi? akúkoľvek DNA správu si vymyslia.

Sama o sebe je však DNA viacmenej bezcenná molekula. Nieje silná ako Kevlar, nieje farebná s?a farba, nieje aktívna ako enzým. Má však niečo za využitie čoho je priemysel ochotný plati? milióny dolárov : schopnos? riadi? molekulárne stroje nazývané ribozómy. V bunkách najprv molekulárne stroje prepíšu DNA, kopírujúc jej informáciu na RNA "pásky". Potom , podobne ako staré číselné prístroje tvarovali kov na základe inštrukcií uložených na páske, budujú ribozómy bielkoviny na základe inštrukcií uložených na vláknach RNA. A bielkoviny sú užitočné.

Bielkoviny sa tak ako i DNA podobajú na re?azce zhluky perál. Ale narozdiel od DNA sa bielkovinové molekuly zvíjajú formujúc tak malé objekty schopné práce. Niektoré z nich sú enzýmy, stroje ktoré skladajú a rozdeľujú molekuly (a kopírujú DNA, prepisujú ju, a stavajú nové bielkoviny v cykle života). Niektoré bielkoviny sú hormóny schopné naviaza? sa na iné bielkoviny odovzdávajúc tak bunkám spúš?ací signál k zmene chovania. Genetický inžinieri dokážu za relatívne malú cenu produkova? tieto objekty tým že usmernia túto lacnú a efektívnu mašinériu vnútri živých organizmov na konanie potrebnej práce. Zatiaľčo inžinieri zodpovedný za chod chemickej továrne musia pracova? s nádržami vzájomne reagujúcich chemikálií (ktoré častokrát zle zoradia atómy za vzniku nebezpečných vedľajších produktov) , inžinieri pracujúci s baktériami im môžu nariadi? aby chemikálie absorbovali, opatrne atómy preskupili a potom výsledný produkt uložili alebo vypustili do okolia.

Genetickí inžinieri už dokázali naprogramova? baktérie aby vytvárali bielkoviny - počnúc ľudským rastovým hormónom, končiac renninom - enzýmom využívanom pri výrobe syra. Farmaceutické spoločnosti už vyrábajú ľudský inzulín - produkovaný baktériami.