Universal Assemblers

Universal Assemblers

These second-generation nanomachines - built of more than just proteins - will do all that proteins can do, and more. In particular, some will serve as improved devices for assembling molecular structures. Able to tolerate acid or vacuum, freezing or baking, depending on design, enzyme-like second-generation machines will be able to use as "tools" almost any of the reactive molecules used by chemists - but they will wield them with the precision of programmed machines. They will be able to bond atoms together in virtually any stable pattern, adding a few at a time to the surface of a workpiece until a complex structure is complete. Think of such nanomachines as assemblers.  
 
Because assemblers will let us place atoms in almost any reasonable arrangement (as discussed in the Notes), they will let us build almost anything that the laws of nature allow to exist. In particular, they will let us build almost anything we can design - including more assemblers. The consequences of this will be profound, because our crude tools have let us explore only a small part of the range of possibilities that natural law permits. Assemblers will open a world of new technologies.  
 
Advances in the technologies of medicine, space, computation, and production - and warfare - all depend on our ability to arrange atoms. With assemblers, we will be able to remake our world or destroy it. So at this point it seems wise to step back and look at the prospect as clearly as we can, so we can be sure that assemblers and nanotechnology are not a mere futurological mirage.  

Nailing Down Conclusions

In everything I have been describing, I have stuck closely to the demonstrated facts of chemistry and molecular biology. Still, people regularly raise certain questions rooted in physics and biology. These deserve more direct answers.  
 
° Will the uncertainty principle of quantum physics make molecular machines unworkable?  
 
This principle states (among other things) that particles can't be pinned down in an exact location for any length of time. It limits what molecular machines can do, just as it limits what anything else can do. Nonetheless, calculations show that the uncertainty principle places few important limits on how well atoms can be held in place, at least for the purposes outlined here. The uncertainty principle makes electron positions quite fuzzy, and in fact this fuzziness determines the very size and structure of atoms. An atom as a whole, however, has a comparatively definite position set by its comparatively massive nucleus. If atoms didn't stay put fairly well, molecules would not exist. One needn't study quantum mechanics to trust these conclusions, because molecular machines in the cell demonstrate that molecular machines work.  
 
° Will the molecular vibrations of heat make molecular machines unworkable or too unreliable for use?  
 
Thermal vibrations will cause greater problems than will the uncertainty principle, yet here again existing molecular machines directly demonstrate that molecular machines can work at ordinary temperatures. Despite thermal vibrations, the DNA-copying machinery in some cells makes less than one error in 100,000,000,000 operations. To achieve this accuracy, however, cells use machines (such as the enzyme DNA polymerase I) that proofread the copy and correct errors. Assemblers may well need similar error-checking and error-correcting abilities, if they are to produce reliable results.  
 
° Will radiation disrupt molecular machines and render them unusable?  
 
High-energy radiation can break chemical bonds and disrupt molecular machines. Living cells once again show that solutions exist: they operate for years by repairing and replacing radiation-damaged parts. Because individual machines are so tiny, however, they present small targets for radiation and are seldom hit. Still, if a system of nanomachines must be reliable, then it will have to tolerate a certain amount of damage, and damaged parts must regularly be repaired or replaced. This approach to reliability is well known to designers of aircraft and spacecraft.  
 
° Since evolution has failed to produce assemblers, does this show that they are either impossible or useless?  
 
The earlier questions were answered in part by pointing to the working molecular machinery of cells. This makes a simple and powerful case that natural law permits small clusters of atoms to behave as controlled machines, able to build other nanomachines. Yet despite their basic resemblance to ribosomes, assemblers will differ from anything found in cells; the things they do - while consisting of ordinary molecular motions and reactions - will have novel results. No cell, for example, makes diamond fiber.  
 
The idea that new kinds of nanomachinery will bring new, useful abilities may seem startling: in all its billions of years of evolution, life has never abandoned its basic reliance on protein machines. Does this suggest that improvements are impossible, though? Evolution progresses through small changes, and evolution of DNA cannot easily replace DNA. Since the DNA/RNA/ribosome system is specialized to make proteins, life has had no real opportunity to evolve an alternative. Any production manager can well appreciate the reasons; even more than a factory, life cannot afford to shut down to replace its old systems.  
 
Improved molecular machinery should no more surprise us than alloy steel being ten times stronger than bone, or copper wires transmitting signals a million times faster than nerves. Cars outspeed cheetahs, jets outfly falcons, and computers already outcalculate head-scratching humans. The future will bring further examples of improvements on biological evolution, of which second-generation nanomachines will be but one.  
 
In physical terms, it is clear enough why advanced assemblers will be able to do more than existing protein machines. They will be programmable like ribosomes, but they will be able to use a wider range of tools than all the enzymes in a cell put together. Because they will be made of materials far more strong, stiff, and stable than proteins, they will be able to exert greater forces, move with greater precision, and endure harsher conditions. Like an industrial robot arm - but unlike anything in a living cell - they will be able to rotate and move molecules in three dimensions under programmed control, making possible the precise assembly of complex objects. These advantages will enable them to assemble a far wider range of molecular structures than living cells have done.  
 
° Is there some special magic about life, essential to making molecular machinery work?  
 
One might doubt that artificial nanomachines could even equal the abilities of nanomachines in the cell, if there were reason to think that cells contained some special magic that makes them work. This idea is called "vitalism." Biologists have abandoned it because they have found chemical and physical explanations for every aspect of living cells yet studied, including their motion, growth, and reproduction. Indeed, this knowledge is the very foundation of biotechnology.  
 
Nanomachines floating in sterile test tubes, free of cells, have been made to perform all the basic sorts of activities that they perform inside living cells. Starting with chemicals that can be made from smoggy air, biochemists have built working protein machines without help from cells. R. B. Merrifield, for example, used chemical techniques to assemble simple amino acids to make bovine pancreatic ribonuclease, an enzymatic device that disassembles RNA molecules. Life is special in structure, in behavior, and in what it feels like from the inside to be alive, yet the laws of nature that govern the machinery of life also govern the rest of the universe.  
 
° The case for the feasibility of assemblers and other nanomachines may sound firm, but why not just wait and see whether they can be developed?  
 
Sheer curiosity seems reason enough to examine the possibilities opened by nanotechnology, but there are stronger reasons. These developments will sweep the world within ten to fifty years - that is, within the expected lifetimes of ourselves or our families. What is more, the conclusions of the following chapters suggest that a wait-and-see policy would be very expensive - that it would cost many millions of lives, and perhaps end life on Earth.  
 
Is the case for the feasibility of nanotechnology and assemblers firm enough that they should be taken seriously? It seems so, because the heart of the case rests on two well-established facts of science and engineering. These are (1) that existing molecular machines serve a range of basic functions, and (2) that parts serving these basic functions can be combined to build complex machines. Since chemical reactions can bond atoms together in diverse ways, and since molecular machines can direct chemical reactions according to programmed instructions, assemblers definitely are feasible.  

Nanocomputers

Assemblers will bring one breakthrough of obvious and basic importance: engineers will use them to shrink the size and cost of computer circuits and speed their operation by enormous factors.  
 
With today's bulk technology, engineers make patterns on silicon chips by throwing atoms and photons at them, but the patterns remain flat and molecular-scale flaws are unavoidable. With assemblers, however, engineers will build circuits in three dimensions, and build to atomic precision. The exact limits of electronic technology today remain uncertain because the quantum behavior of electrons in complex networks of tiny structures presents complex problems, some of them resulting directly from the uncertainty principle. Whatever the limits are, though, they will be reached with the help of assemblers.  
 
The fastest computers will use electronic effects, but the smallest may not. This may seem odd, yet the essence of computation has nothing to do with electronics. A digital computer is a collection of switches able to turn one another on and off. Its switches start in one pattern (perhaps representing 2 + 2), then switch one another into a new pattern (representing 4), and so on. Such patterns can represent almost anything. Engineers build computers from tiny electrical switches connected by wires simply because mechanical switches connected by rods or strings would be big, slow, unreliable, and expensive, today.  
 
The idea of a purely mechanical computer is scarcely new. In England during the mid-1800s, Charles Babbage invented a mechanical computer built of brass gears; his co-worker Augusta Ada, the Countess of Lovelace, invented computer programming. Babbage's endless redesigning of the machine, problems with accurate manufacturing, and opposition from budget-watching critics (some doubting the usefulness of computers!), combined to prevent its completion.  
 
In this tradition, Danny Hillis and Brian Silverman of the MIT Artificial Intelligence Laboratory built a special-purpose mechanical computer able to play tic-tac-toe. Yards on a side, full of rotating shafts and movable frames that represent the state of the board and the strategy of the game, it now stands in the Computer Museum in Boston. It looks much like a large ball-and-stick molecular model, for it is built of Tinkertoys.  
 
Brass gears and Tinkertoys make for big, slow computers. With components a few atoms wide, though, a simple mechanical computer would fit within 1/100 of a cubic micron, many billions of times more compact than today's so-called microelectronics. Even with a billion bytes of storage, a nanomechanical computer could fit in a box a micron wide, about the size of a bacterium. And it would be fast. Although mechanical signals move about 100,000 times slower than the electrical signals in today's machines, they will need to travel only 1/1,000,000 as far, and thus will face less delay. So a mere mechanical computer will work faster than the electronic whirl-winds of today.  
 
Electronic nanocomputers will likely be thousands of times faster than electronic microcomputers - perhaps hundreds of thousands of times faster, if a scheme proposed by Nobel Prize-winning physicist Richard Feynman works out. Increased speed through decreased size is an old story in electronics.  

Disassemblers

Molecular computers will control molecular assemblers, providing the swift flow of instructions needed to direct the placement of vast numbers of atoms. Nanocomputers with molecular memory devices will also store data generated by a process that is the opposite of assembly.  
 
Assemblers will help engineers synthesize things; their relatives, disassemblers, will help scientists and engineers analyze things. The case for assemblers rests on the ability of enzymes and chemical reactions to form bonds, and of machines to control the process. The case for disassemblers rests on the ability of enzymes and chemical reactions to break bonds, and of machines to control the process. Enzymes, acids, oxidizers, alkali metals, ions, and reactive groups of atoms called free radicals - all can break bonds and remove groups of atoms. Because nothing is absolutely immune to corrosion, it seems that molecular tools will be able to take anything apart, a few atoms at a time. What is more, a nanomachine could (at need or convenience) apply mechanical force as well, in effect prying groups of atoms free.  
 
A nanomachine able to do this, while recording what it removes layer by layer, is a disassembler. Assemblers, disassemblers, and nanocomputers will work together. For example, a nanocomputer system will be able to direct the disassembly of an object, record its structure, and then direct the assembly of perfect copies, And this gives some hint of the power of nanotechnology.  

Универсальные ассемблеры

Это второе поколение  наномашин, построенных не просто из белков, они будут делать все, что могут делать белки, и более того. В частности, некоторые будут служить как усовершенствованные устройства для сборки молекулярных структур. Устойчивые к кислоте или вакууму, замораживанию или нагреву, в зависимости от цели использования, ферментоподобные машины второго поколения будут способны использовать в качестве "инструментов" почти любую из молекул, используемых химиками в реакциях, но они будут с ними обращаться с точностью программируемых машин. Они будут способны связать атомы для получения практически любой устойчивой структуры, добавляя понемногу за раз к поверхности рабочего куска до тех пор, пока сложная структура не будет завершена. Думайте о наномашинах как об ассемблерах.

Поскольку ассемблеры позволят нам размещать атомы  почти любым разумным образом (как - это обсуждается в Примечаниях), они позволят нам строить почти  всё что угодно, чему законы природы  позволяют существовать. В частности, они позволят нам строить почти  всё что угодно, что мы можем  разработать, включая новые ассемблеры. Последствия этого будут глубокими, потому что наши грубые инструменты  позволяют нам исследовать только малую часть всего спектра  возможностей, которые позволяет  природа. Ассемблеры откроют мир  новых технологий.

Успехи в медицинских, космических, вычислительных, военных  технологиях - все они зависят  от нашей способности упорядочивать  атомы. С ассемблерами мы будем способны повторно переделать наш мир или  уничтожить его. На этом этапе кажется  разумным отступить назад и посмотреть настолько внимательно, насколько  это возможно, чтобы убедиться, что  ассемблеры и нанотехнология - не просто футурологический мираж.

Какие будут выводы?

Во всем, что  я описал, я в большой мере основывался  на доказанных фактах химии и молекулярной биологии. Однако люди регулярно поднимают  некоторые вопросы, уходящие корнями  в физику и биологию. Эти вопросы  заслуживают более прямых ответов.

Не сделает  ли принцип неопределённости квантовой  физики молекулярные машины неосуществимыми?

Кроме всего  прочего этот принцип говорит  о том, что невозможно определить точное местоположение частицы в  течение любого отрезка времени. Это ограничивает то, что могут  делать молекулярные машины, равно  как и ограничивает то, что может  делать что угодно еще. Тем не менее, вычисления показывают, что принцип  неопределённости накладывает мало существенных ограничений на то, насколько  хорошо атомы можно размещать  на свои места, по крайней мере, для  тех целей, которые обрисовываются здесь. Принцип неопределённости делает местоположение электронов довольно расплывчатым, и в действительности эта расплывчатость определяет сам размер и структуру  атомов. Атом как целое, однако, имеет  сравнительно определённое местоположение, установленное своему относительно массивному ядру. Если бы атомы не сохраняли  своё положение сравнительно хорошо, молекулы бы не существовали. Квантовой  механики не требуется, чтобы доказать эти заключения, поскольку молекулярные машины в клетке демонстрируют то, что молекулярные машины работают.

Не сделают  ли тепловые вибрации молекул молекулярные машины неработоспособными или слишком  ненадёжными, чтобы их использовать?

Тепловые колебания  причинят большие проблемы, чем принцип  неуверенности, однако здесь снова  существующие молекулярные машины непосредственно  демонстрируют, что молекулярные машины могут работать при обычных температурах. Несмотря на тепловые колебания, механизмы  копирования ДНК в некоторых  клетках делают меньше чем одну ошибку на 100 000 000 000 операций. Чтобы достичь такой точности, однако, клетки используют машины (такие как фермент ДНК-полимераза I), которые проверяют копию и исправляют ошибки. Для ассемблеров вполне может быть необходимы аналогичные способности проверки и исправления ошибок, если они предназначены выдавать надёжные результаты.

Не будет ли радиация разрушать молекулярные машины или делать их непригодными для использования?

Радиация высокой  энергии может нарушать химические связи и разрушать молекулярные машины. Живые клетки еще раз показывают, что решения существуют: они работают в течение лет, восстанавливая и  заменяя поврежденные радиацией  части. Однако поскольку каждая отдельная  машина такая крошечная, она представляет собой маленькую цель для радиации, и радиация редко в неё попадает. Всё же, если система наномашин должна быть надёжна, то она должна выдерживать определённое количество повреждений, а повреждённые части должны регулярно чиниться или заменяться. Этот подход к надёжности хорошо знаком разработчикам самолётов и космических кораблей.

Эволюция не сумела произвести ассемблеры, не говорит  ли это о том, что они являются либо невозможными, либо бесполезными?

Отвечая на предыдущие вопросы, мы отчасти ссылались на уже работающие молекулярные машины клеток. Они представляют собой простое  и мощное доказательство того, что  законы природы позволяют маленьким  группам атомов вести себя как  управляемые машины, способные строить  другие наномашины. Однако вопреки тому, что они в основе напоминают рибосомы, ассемблеры будут отличаться от всего, что находится в клетках; хотя они состоят в обычных движениях молекул и реакциях, то, что они делают, будет иметь новые результаты. Например, ни одна клетка не производит алмазного волокна.

Мысль, что новые  виды наномашин дадут новые полезные способности, может казаться потрясающей: за все миллиарды лет развития жизнь в основе всегда полагалась только на белковые машины. Но говорит ли это о том, что усовершенствования были невозможны? Эволюция идёт небольшими изменениями, и эволюция ДНК не может легко заменить ДНК. Так как система ДНК-РНК-рибосома специализирована для построения белков, жизнь не имела никакой реальной возможности развить альтернативный вариант. Любой производственный менеджер хорошо может оценить причины этого; жизнь - больше чем фабрика, она не может себе позволить прекратить деятельность, чтобы заменить свои системы на новые.

Улучшенные молекулярные машины должны нас удивлять не больше, чем сплав стали, который в  десять раз прочнее кости, или  медные провода, передающие сигналы  в миллион раз быстрее нервов. Автомобили обгоняют гепардов, реактивные самолеты летают быстрее соколов, и  компьютеры уже считают быстрее  самых талантливых из людей. Будущее даст новые примеры улучшений в биологической эволюции, из которых второе поколение наномашин будет лишь одним.

В физических терминах, достаточно ясно, почему усовершенствованные  ассемблеры будут способны делать больше, чем существующие белковые машины. Они будут программироваться  подобно рибосомам, но они будут  способны использовать более широкий  диапазон инструментов, чем все ферменты в клетке вместе взятые. Поскольку  они будут сделаны из материалов, намного более прочных, твёрдых  и устойчивых, чем белки, они будут  способны развивать большие мощности, двигаться с большей точностью  и выносить более суровые условия. Подобно промышленным манипуляторам, но в отличие от чего-либо в живой клетке, они будут способны вращаться и двигать молекулы в трёх измерениях под программным управлением, делая возможным точную сборку сложных объектов. Эти преимущества будут давать им возможность собирать намного более широкий спектр молекулярных структур, чем это делали живые клетки.

Не имеет ли жизнь в себе нечто особое сверхъестественное, без чего молекулярные машины не будут  работать?

Можно было бы сомневаться, что искусственные наномашины могли бы даже приблизиться к способностям наномашин в клетке, если бы была причина думать, что в клетках есть нечто сверхъестественное, что заставляет их работать. Эта идея называется "витализм". Биологи отказались от неё, потому что они нашли химические и физические объяснения для каждого уже изученного аспекта живой клетки, включая движение, рост и воспроизводство. Действительно, это знание является самой основой биотехнологии.

Наномашины, плавающие в стерильных испытательных пробирках вне клеток, заставили выполнять все основные виды действий, которые они выполняют внутри живых клеток. Начиная с химических веществ, которые могут быть получены из дыма, биохимики построили работающие белковые машины без помощи клеток. Р.Б. Меррифилд, например, использовал химические приёмы для сборки простых аминокислот в рибонуклеазу поджелудочной железы бычка, комплекс ферментов, который разбирает на части молекулы РНК. Жизнь специфична по структуре, по поведению, а также по тому, что она чувствует изнутри по поводу того, что она жива, но законы природы, которые управляют механизмами жизни, также управляют всей остальной вселенной.