PDF Stampa E-mail
Motori di creazione. Capitolo 1: Motori di costruzione
Tecnoscienza - Nanotecnologie

L'ingegnerizzazione delle proteine […] rappresenta (2) il primo importante passo verso una abilità più generale per l'ingegneria molecolare che ci permetterebbe di strutturare la materia atomo per atomo.  
- Kevin Ulmer, Direttore delle Ricerche Esplorative - Genex Corporation
 

Carbone e diamanti, sabbia e circuiti integrati, tessuti sani e cancerosi: nel corso di tutta la storia, le variazioni nelle disposizioni di atomi hanno fatto la differenza fra scadente e pregiato, fra malato e sano. Disposti in una certa maniera, gli atomi formano suolo, aria, acqua; disposti in un'altra maniera diventano fragole mature. Disposti in un modo sono case ed aria fresca; in un altro, diventano cenere e fumo.

La nostra abilità nel creare disposizioni di atomi è alle fondamenta della tecnologia. Siamo andati lontani nelle nostre capacità di disporre atomi, dallo scheggiare la selce per le punte di frecce al lavorare a macchina alluminio per navi spaziali. Siamo fieri della nostra tecnologia, dei nostri farmaci salva-vita e dei nostri computer da tavolo. Tuttavia le nostre navette spaziali sono ancora rozze, i nostri computer ancora stupidi, e le molecole dei nostri tessuti degenerano ancora nel disordine, danneggiando prima la nostra salute e poi la vita stessa. Per tutti i nostri progressi nella disposizione di atomi utilizziamo ancora metodi primitivi. Con la nostra tecnologia attuale siamo tuttora costretti a maneggiare gli atomi in gruppi indisciplinati.  

Ma le leggi della natura lasciano immenso spazio per il progresso, e le pressioni della competizione mondiale continuano a spingerci in avanti. Nel bene o nel male, il più grande "passo avanti" tecnologico della storia deve ancora arrivare.  

Due stili di tecnologia    

La nostra tecnologia moderna è fondata su una tradizione antica. Trentamila anni fa, scheggiare la selce era l'alta tecnologia dell'epoca. I nostri antenati, per costruire le loro teste d'ascia, afferravano pietre contenenti milioni di miliardi di miliardi di atomi e ne rimuovevano schegge contenenti migliaia di miliardi di miliardi di atomi; sapevano svolgere un lavoro raffinato con abilità che oggi sono difficili da imitare. Essi disegnarono anche degli schizzi, spruzzando tinture sulle pareti di caverne della Francia ed usando le loro mani come stampini. In seguito fabbricarono vasi cuocendo argilla e poi bronzo cuocendo le rocce. Modellarono il bronzo martellandolo. Produssero ferro e poi acciaio, e scaldandolo, battendolo e rimuovendone le schegge, modellarono anch'esso.  

Oggi possiamo cuocere ceramiche purissime e acciai più forti, ma ancora li modelliamo martellandoli, scheggiandoli, ecc…. Cuociamo del silicio puro, lo tagliamo in fette e tracciamo degli schemi sulla sua superficie utilizzando minuscoli stampi e spruzzi di luce. Chiamiamo questi prodotti "chips" e li consideriamo squisitamente piccoli, almeno al confronto delle teste d'ascia.  

La nostra tecnologia microelettronica ha manipolato la materia fino a comprimere, su pochi chip di silicio e all'interno di computer di dimensioni tascabili, macchine altrettanto potenti di quei computer dei primi anni cinquanta che occupavano una intera stanza. Gli ingegneri stanno oramai realizzando dispositivi persino più piccoli, fissando gruppi di atomi ad una superficie cristallina per formare cablaggi e componenti di spessore dieci volte più sottili di quelli di un fine capello.  

Questi microcircuiti potranno anche essere piccoli a confronto con la selce scheggiata, ma ogni transistor consiste ancora di migliaia di miliardi di atomi ed i cosiddetti "microcomputer" sono ancora visibili ad occhio nudo. Giudicati secondo gli standard di una tecnologia più moderna e potente, ci sembreranno giganteschi.  

L'antico stile della tecnologia che ci ha condotto dalla selce scheggiata ai chip di silicio manipola atomi e molecole in massa; chiamiamola tecnologia di mole. La nuova tecnologia manipolerà atomi e molecole individualmente, con controllo e precisione posizionali; chiamiamola tecnologia molecolare. Essa cambierà il nostro intero mondo in più modi di quanti ne possiamo immaginare.  

I microcircuiti sono formati da parti costituenti che sono misurabili in micrometri ossia in milionesimi di metro; ma le molecole si misurano in nanometri (mille volte più piccole). Per descrivere il nuovo stile di tecnologia possiamo usare i termini nanotecnologia e tecnologia molecolare in modo intercambiabile. Gli ingegneri della nuova tecnologia costruiranno nanocircuiti, ma anche nanomacchine.  

La tecnologia molecolare oggi    

Una definizione da dizionario (3) per "macchina" è la seguente: "qualsiasi sistema, di solito composto da corpi rigidi, le cui parti siano conformate e connesse per alterare, trasmettere ed applicare direttamente delle forze in modo predeterminato per svolgere uno specifico compito, come l'esecuzione di un lavoro utile". Le macchine molecolari si adattano a questa definizione perfettamente.  

Per immaginare queste macchine anzitutto si devono immaginare le molecole. Possiamo raffigurare gli atomi come delle palline e le molecole come dei gruppetti di tali palline; ossia possiamo immaginare una molecola come un gruppo di palline in ognuna delle quali un bambino abbia infilato dei gancetti metallici per poterle agganciare assieme. Di fatto, talvolta, i chimici visualizzano le molecole costruendone modelli con palline di plastica (alcune delle quali sono legate ad altre, in diverse direzioni, come fossero perni di un insieme di pezzi del "Mecano"). Gli atomi sono sferici come lo sono le palline e nonostante i legami molecolari non siano gancetti, la nostra immagine cattura quantomeno il concetto essenziale che i legami possono rompersi e riformarsi.  

Se un atomo fosse della dimensione di una piccola biglia, una molecola piuttosto complessa dovrebbe avere la dimensione del vostro pugno. E ciò ci dà una utile immagine mentale, ma gli atomi sono in realtà circa diecimila volte più piccoli di un batterio e i batteri a loro volta sono circa diecimila volte più piccoli di una zanzara. (Un nucleo atomico, comunque, è circa centomila volte più piccolo della dimensione dell'atomo stesso; la differenza fra un atomo e il suo nucleo è come il divario che esiste fra un fuoco e una reazione nucleare.)  

Le cose attorno a noi si comportano nel modo in cui lo fanno, a causa del modo in cui si comportano le molecole che le costituiscono. L'aria non possiede una sua forma così come non possiede un suo volume, poiché che le sue molecole si muovono liberamente colpendosi e rimbalzando in tutto lo spazio aperto. Le molecole d'acqua aderiscono fra loro mentre si muovono, sicché l'acqua mantiene un volume costante mentre cambia forma. Il rame mantiene la sua forma perché i suoi atomi sono connessi assieme secondo degli schemi regolari; possiamo piegare e martellare il rame perché i suoi atomi possono scivolare l'uno sull'altro ma rimangono comunque legati assieme. Il vetro va in frantumi quando lo martelliamo perché i suoi atomi si separano prima di scivolare l'uno sull'altro. La gomma è costituita da molecole organizzate in reticoli attorcigliati simili ad un groviglio di molle. Quando tendiamo e rilasciamo la gomma, i suoi reticoli di molecole si stendono, per poi tornare a disporsi a spirale. Questi schemi molecolari semplici caratterizzano le sostanze passive. Schemi più complessi caratterizzano le nanomacchine "attive" delle cellule viventi.  

I biochimici lavorano già con queste macchine, che sono principalmente composte da proteine ossia dal principale materiale di ingegneria delle cellule viventi. Le macchine molecolari sono composte da relativamente pochi atomi e quindi le loro superfici si presentano grumose, come fossero le superfici di oggetti ottenuti incollando assieme una manciata di piccole biglie. Inoltre, molte paia di atomi sono accoppiate da legami che possono piegarsi o ruotare, sicché le macchine proteiche sono insolitamente flessibili. Ma come tutte le macchine, esse contengono parti di forme e dimensioni differenti, parti che svolgono un lavoro utile. Di fatto, tutte le macchine utilizzano dei raggruppamenti di atomi come loro parti costituenti. Le macchine proteiche differiscono semplicemente per il fatto che usano raggruppamenti molto piccoli.  

I biochimici sognano di progettare e costruire tali dispositivi, ma ci sono delle difficoltà da superare. Gli ingegneri usano dei raggi di luce per tracciare schemi sopra schegge di silicio, ma i chimici devono accontentarsi di costruire in modo molto più indiretto. Quando combinano molecole in varie sequenze, essi possono mantenere soltanto un controllo limitato sul modo in cui le molecole si legano fra loro. Quando i biochimici necessitano di macchine molecolari più complesse devono tuttora prenderle in prestito dalle cellule viventi. Ma se i biochimici potessero realizzare macchine molecolari avanzate, le potrebbero infine utilizzare per costruire nanocircuiti e nanomacchine con la stessa facilità e in modo altrettanto diretto di quanto possano attualmente fare gli ingegneri nella costruzione di microcircuiti o lavatrici. A quel punto, il progresso sarà repentino e drammatico.  

Gli ingegneri genetici hanno già indicato la strada da percorrere. Di solito, quando i chimici costruiscono delle catene molecolari - ossia i "polimeri" (4) - depositano, senza alcun particolare ordine, delle molecole in una vaschetta piena di liquido, all'interno del quale esse possono rimbalzare e agganciarsi a caso. Le catene che ne risultano hanno lunghezze variabili, e le molecole che le compongono sono come annodate assieme, in nessun ordine particolare.  

Ma nelle moderne macchine di sintesi dei geni, gli ingegneri genetici costruiscono dei polimeri più ordinati, ossia delle specifiche catene molecolari di DNA, unendo le loro molecole componenti in un particolare ordine. Tali molecole sono i nucleotidi del DNA (le lettere dell'alfabeto genetico) e gli ingegneri genetici non li depositano tutti assieme in un unico mucchio indistinto. Piuttosto, dirigono la macchina affinché aggiunga nucleotidi distinti in una particolare sequenza, in modo da formare un particolare messaggio. Prima legano un tipo di nucleotide al termine della catena, poi sciacquano via il materiale residuo, ed infine aggiungono dei composti chimici per preparare l'estremo della catena a legarsi al successivo nucleotide. Sviluppano le catene mano a mano che vi legano i nucleotidi, uno alla volta ed in una sequenza programmata. Agganciano il primissimo nucleotide di ogni catena ad una superficie solida in modo da preservare la catena stessa durante i risciacqui con i bagni chimici. In questa maniera ottengono, in vitro, una macchina grande e rozza, un assemblato di specifiche strutture molecolari con parti costituenti di dimensioni cento milioni di volte più piccole della macchina stessa.  

Ma questo assemblaggio cieco, accidentalmente omette qualche nucleotide da qualche catena. La probabilità di errori cresce al crescere della lunghezza delle catene. Come operai che scartano le parti difettose prima di assemblare un'automobile, gli ingegneri genetici riducono gli errori scartando le catene sbagliate. Successivamente, al fine di congiungere queste brevi catene in geni funzionanti (lunghi tipicamente migliaia di nucleotidi), passano le catene stesse alle macchine molecolari che troviamo nei batteri.  

Queste macchine proteiche, chiamate enzimi di restrizione, "leggono" certe sequenze di DNA interpretandole come "taglia qui". Tali enzimi possono leggere al tocco gli schemi genetici del DNA, e lo fanno aderendo a tali schemi e tagliando la catena grazie alla modifica della disposizione di pochi suoi atomi. Altri enzimi accoppiano dei pezzi, essendo infatti capaci di interpretare come "incolla qui" le parti che ben si adattano a congiungersi assieme, e svolgono questo compito "leggendo" le catene per mezzo di una analoga adesione selettiva ad esse, per poi congiungere le catene a cui hanno aderito grazie alla modifica della disposizione di pochi atomi. Utilizzando macchine genetiche per "scrivere" ed enzimi di restrizione per eseguire operazioni di "taglia ed incolla", gli ingegneri genetici possono scrivere ed editare, in un DNA, qualsiasi messaggio desiderato.  

Ma di per se il DNA è una molecola piuttosto insignificante. Non è né forte come il Kevlar, né colorata come una tintura, né attiva come un enzima, pur possedendo certe proprietà per il cui utilizzo l'industria è pronta a spendere milioni di dollari: ossia "la capacità di dirigere alcune particolari macchine molecolari denominate ribosomi". Nelle cellule, le macchine molecolari anzitutto trascrivono il DNA copiando le sue informazioni per produrne una sorta di registrazione scritta su un "nastro" di RNA. Quindi, in maniera molto simile al funzionamento delle vecchie macchine utensili di lavorazione dei metalli che venivano controllate numericamente dalla informazione immagazzinata in un nastro, i ribosomi costruiscono proteine basandosi sulle istruzioni immagazzinate nei filamenti di RNA. E le proteine sono direttamente utilizzabili.  

Le proteine, come pure il DNA, assomigliano a nodosi cordoni di perline. Ma a differenza del DNA, le molecole proteiche si ripiegano nello spazio per dar forma a piccoli oggetti in grado di svolgere funzioni specifiche. Alcune proteine sono enzimi, macchine che costruiscono e spezzettano molecole (e copiano il DNA, lo trascrivono, e costruiscono altri tipi di proteine del ciclo vitale). Altre proteine sono ormoni, che si legano ad ulteriori proteine per inviare alle cellule dei segnali in grado di modificare il comportamento delle cellule stesse. Gli ingegneri genetici possono economicamente fabbricare questi oggetti, in quanto possono dirigere l'economico ed efficiente macchinario molecolare di organismi viventi affinché svolga il lavoro di fabbricazione all'interno degli stessi organismi. Mentre gli ingegneri che fanno funzionare un impianto chimico devono lavorare con vasche di reagenti chimici (che spesso dispongono gli atomi in modo sbagliato e generano anche sottoprodotti nocivi), gli ingegneri che lavorano con i batteri possono far assorbire loro dei composti chimici, ed ottenere una accurata re-disposizione degli atomi dei composti, oltre a poter scegliere se immagazzinare il prodotto o farlo rilasciare nel fluido che circonda i batteri.  

Gli ingegneri genetici hanno oramai programmato batteri per costruire proteine che vanno dagli ormoni della crescita umana alla rennina (un enzima usato nella produzione di formaggio). La compagnia farmaceutica Eli Lilly di Indianapolis sta già commercializzando la Humulin, una insulina umana ottenuta tramite batteri.  

Macchine proteiche esistenti    

Queste proteine-ormoni e proteine-enzimi aderiscono selettivamente ad altre molecole. Un enzima cambia la struttura della sua molecola-bersaglio e successivamente si allontana da essa; un ormone influisce sul comportamento del suo bersaglio solo per il periodo di tempo durante il quale vi aderisce. Enzimi ed ormoni possono descriversi in termini meccanici, ma è più frequente che il loro comportamento sia descritto in termini chimici.  

Tuttavia esistono altre proteine che assolvono delle pure funzionalità meccaniche di base(5). Alcune spingono e tirano, altre agiscono come corde o sostegni e certe parti di alcune molecole costituiscono eccellenti cuscinetti meccanici. Il macchinario molecolare dei muscoli, per esempio, è composto da schiere ordinate di proteine che si allungano, afferrano una corda (anche questa fatta di proteine), la tirano, poi lasciano la presa, ed infine tornano ad allungarsi per una nuova presa; ogni volta che vi muovete usate queste macchine. Le amebe e le cellule umane si muovono e cambiano forma utilizzando fibre e bastoncini che agiscono come muscoli ed ossa molecolari. I batteri sono sospinti attraverso l'acqua da un motore reversibile a velocità variabile, che agisce per mezzo della rotazione di una elica propulsiva dalla forma a spirale. Se un hobbista volesse costruire minuscole automobili attorno a tali motori, ne potrebbe far stare miliardi di miliardi in una tasca e per automobili siffatte si potrebbero costruire, all'interno dei vostri più fini capillari, autostrade da 150 corsie.  

Dispositivi molecolari elementari si combinano assieme per formare sistemi che assomigliano a macchine industriali. Negli anni '50 gli ingegneri svilupparono macchine utensili che tagliavano il metallo sotto il controllo di un nastro di carta perforata. Un secolo e mezzo prima, Joseph-Marie Jacquard aveva costruito un telaio che intesseva complessi schemi sotto il controllo di una successione di schede perforate. Più di oltre tre miliardi di anni prima di Jacquard, le cellule avevano sviluppato il macchinario dei ribosomi. I ribosomi sono la prova che nanomacchine fatte di proteine ed RNA possono essere programmate per costruire molecole complesse.  

Consideriamo allora i virus. Uno di essi, il "batteriofago T4", agisce come una siringa caricata a molla ed assomiglia a un oggetto spuntato fuori da un catalogo di componenti industriali. Questo virus può aderire ad un batterio, incidervi un foro ed iniettare dentro il batterio del DNA virale (si, anche i batteri soffrono di infezioni). Come un conquistatore che prenda possesso di uno stabilimento industriale per costruire più carri armati, il DNA iniettato ordina al macchinario cellulare del batterio di costruire altro DNA virale ed altre siringhe. Come tutti gli organismi, questi virus esistono perché sono piuttosto stabili nonché capaci di far si che vengano realizzate copie di se stessi.  

Che siano o meno dentro una cellula, le nanomacchine obbediscono alle leggi universali della natura. Comuni legami chimici tengono assieme i loro atomi costituenti e comuni reazioni chimiche (pilotate da altre macchine) assemblano questi atomi. Le molecole proteiche possono combinarsi per dar forma a macchine composite persino in assenza di un particolare aiuto, guidate solo dall'agitazione termica e dalle interazioni chimiche. Mescolando in una provetta delle proteine virali (e il DNA per il quale esse lavorano), i biologi molecolari hanno assemblato virus T4 funzionanti. Questa capacità è sorprendente: immaginate di immettere le parti di una automobile in una grossa scatola, scuotere quest'ultima e, quando ci guardate di nuovo dentro, trovarci un'automobile assemblata! Eppure il virus T4 è solo una delle molte strutture esistenti capaci di auto-assemblaggio (6). Nei macchinari dei ribosomi i biologi molecolari hanno individuato ed isolato oltre cinquanta molecole differenti, fra proteine ed RNA, e dopo averle messe tutte assieme in delle provette ne hanno ottenuto ancora una volta dei ribosomi funzionanti.  

Per capire come tutto ciò possa accadere, immaginate differenti catene proteiche del T4, sospese in acqua e libere di fluttuare. Ogni tipo di catena si ripiega nello spazio, a formare un piccolo agglomerato dotato di distintive cavità e protuberanze e ricoperto da schemi distintivi di oleosità ed umidità nonché di altrettanto distintivi schemi di distribuzione di carica elettrica. Immaginate queste catene vagare e roteare su se stesse, incalzate dalla spinta della vibrazione termica applicata dalle molecole d'acqua circostanti. Di tanto in tanto due catene si scontrano fra loro, rimbalzando via l'una dall'altra. Talvolta, piuttosto, due di esse si scontrano e si scoprono adatte l'una all'altra, poiché le protuberanze dell'una si adattano alle cavità dell'altra; poiché le due catene subiscono nel contempo una pressione di spinta l'una contro l'altra, le corrispondenze permettono loro di aderire stabilmente. In questo modo delle proteine si aggiungono ad altre proteine per formare sezioni del virus e le sezioni si assemblano assieme fino a formare l'intero virus.  

Gli ingegneri delle proteine non necessitano di nano-braccia o nano-mani per assemblare complesse nanomacchine. Tuttavia, l'esistenza di minuscoli manipolatori sarà di indubbia utilità e quindi c'è da attendersi che questi verranno costruiti. Proprio come, a partire da ordinari motori, ordinari cuscinetti ed ordinarie parti mobili, gli odierni ingegneri costruiscono macchine complesse quali suonatori meccanici di pianoforte o bracci robotici, così i biochimici di domani saranno in grado di utilizzare le molecole proteiche come motori, cuscinetti e parti mobili, per costruire bracci robotici in grado di manipolare molecole individuali.  

Progettare con le proteine (7)    

Quanto lontano può essere spinta questa abilità? Sono stati intrapresi alcuni passi, ma molto è il lavoro che resta da fare. I biochimici hanno già steso mappe dettagliate delle strutture di molte proteine. Disponendo dell'aiuto fornito loro da macchine genetiche in grado di scrivere dei nastri di DNA essi potranno, ordinare alle cellule di costruire qualsiasi proteina riescano a progettare(8). Ma tuttora manca loro la conoscenza di come progettare catene che si ripieghino nello spazio per dar luogo a proteine con la giusta forma e funzione. Le forze che piegano le proteine sono deboli e nel contempo il numero di plausibili modi in cui una proteina potrebbe ripiegarsi è astronomico, cosicché non è facile progettare da zero una grossa proteina.  

Le forze che connettono assieme le proteine fino a formare macchine complesse sono le stesse che determinano anzitutto lo specifico ripiegamento spaziale delle catene proteiche. Le differenti forme e tipi di connessione di aminoacidi (le nodose perline molecolari che formano le catene proteiche) fanno in modo che ogni catena proteica si ripieghi spazialmente in una maniera specifica, per dar luogo ad un oggetto con una particolare forma. I biochimici hanno imparato qualche regola che suggerisce come una catena di aminoacidi potrebbe piegarsi ma le regole non sono molto rigorose. Provare a prevedere come una catena si ripiegherà è come provare a lavorare con le tessere di un "puzzle", ma un puzzle senza alcun disegno stampato sopra i suoi pezzi che possa indicarci se l'accostamento di due tessere risulti corretto, e con pezzi che sembrano accostarsi fra loro altrettanto bene (o altrettanto male) in molte differenti maniere, tutte sbagliate eccetto una. Le false partenze possono far sprecare tempi equivalenti a quelli di molte vite, ed una risposta corretta potrebbe anche non essere riconosciuta. I biochimici, pur utilizzando i migliori programmi per computer attualmente disponibili, ancora non riescono a prevedere in che modo si ripiegherà una lunga catena proteica naturale ed alcuni di loro disperano di riuscire a progettare molecole proteiche entro tempi brevi.  

Tuttavia la maggior parte dei biochimici lavora come farebbe uno scienziato e non come farebbe un ingegnere. Lavorano cercando di prevedere come si ripiegheranno le proteine naturali e non tentando di progettare proteine che si ripieghino in maniera prevedibile. Questi obiettivi potrebbero sembrare simili(9), ma differiscono enormemente: il primo è una sfida scientifica, il secondo una sfida di ingegneria. Perché mai le proteine naturali dovrebbero piegarsi in modi che gli scienziati trovino facili da prevedere? Tutto quello che la natura richiede, infatti, è che esse si pieghino correttamente e non che si pieghino in modi che siano ovvi per la gente.  

Le proteine potrebbero venir progettate a priori con lo scopo di rendere più prevedibile il loro ripiegamento. Carl Pabo, scrivendo sulla rivista Nature(10), ha suggerito una strategia di progetto basata su questa intuizione ed alcuni ingegneri biochimici hanno progettato e costruito brevi catene composte da poche dozzine di pezzi(11) che si ripiegano e si assestano sulle superfici di altre molecole nel modo pianificato. Hanno progettato da zero una proteina con proprietà come quelle della melittina(12), una tossina presente nel veleno d'ape. Hanno modificato enzimi esistenti, alterando il loro comportamento in modi prevedibili(13). La nostra comprensione delle proteine cresce giornalmente.  

Nel 1959, concordando col biologo Garrett Hardin(14), alcuni genetisti dichiararono l'impossibilità dell'ingegneria genetica; oggi invece l'ingegneria genetica è un'industria. La biochimica e i sistemi CAD (sistemi di progettazione con l'ausilio del computer) stanno esplosivamente generando nuovi campi e come Frederick Blattner ha scritto nella rivista Science(15), "i programmi di computer per gli scacchi hanno già raggiunto un livello poco al di sotto di quello di gran maestro. Forse la soluzione al problema del ripiegamento delle proteine è più vicina di quanto pensiamo". William Rastetter dalla Genentech, scrivendo sulla Applied Biochemistry and Biotechnology(16) si domanda: "Quanto è distante la progettazione e la sintesi 'ex-novo' di enzimi? Dieci, quindici anni?". La risposta che propone è: "Forse, non così tanto".  

Forrest Carter nello U.S. Naval Research Laboratory, Ari Aviram e Philip Seiden in IBM, Kevin Ulmer alla Genex Corporation, ed altri ricercatori in università e laboratori industriali di tutto il globo, hanno già iniziato a sviluppare lavori teorici ed eseguire esperimenti mirati allo sviluppo di interruttori molecolari, di dispositivi di memoria e di altre strutture che potrebbero essere incorporate in un computer basato su proteine. Lo U.S. Naval Research Laboratory ha tenuto due seminari internazionali sui dispositivi elettronici molecolari(17), mentre un incontro sponsorizzato dalla U.S. National Science Foundation ha raccomandato il supporto alle ricerche di base mirate a sviluppare computer molecolari(18). Secondo quanto riferito in questo incontro, il Giappone avrebbe avviato un programma del costo di molti milioni di dollari che punta allo sviluppo di motori e computer molecolari auto-assemblanti e la VLSI Research Inc.(19), a San Jose, scrive in una relazione: "Sembra che la corsa ai 'bio-chips' [un altro termine per indicare sistemi elettronici molecolari] sia già iniziata. NEC, Hitachi, Toshiba, Matsushita, Fujitsu, Sanyo-Denki e Sharp hanno avviato sforzi di ricerca a tutto campo su bio-chips per 'bio-computers'".  

I biochimici hanno altre ragioni per voler imparare l'arte della progettazione di proteine. Enzimi di nuova progettazione promettono di eseguire processi chimici inquinanti in modi più economici e puliti, e proteine di nuova progettazione offrirebbero ai biotecnologi uno spettro interamente inedito di strumenti. Ci siamo già incamminati lungo la strada che conduce verso l'ingegneria proteica, e come Kevin Ulmer afferma nella citazione tratta da Science e riportata in testa al presente capitolo, questa strada conduce "verso una abilità più generale per l'ingegneria molecolare che ci permetterebbe di strutturare la materia atomo per atomo".  

Nanotecnologia di seconda generazione    

A dispetto della loro versatilità le proteine lasciano a desiderare come materiale da ingegneria. Le macchine proteiche smettono di funzionare se non idratate, congelano se raffreddate, cuociono se riscaldate. Non penseremmo mai di fabbricare macchine fatte di carne, capelli e gelatina; lungo i secoli abbiamo imparato ad usare le nostre mani di ossa e carne per costruire macchine di legno, ceramica, acciaio e plastica. Faremo ancora qualcosa di simile in futuro. Useremo macchine proteiche per costruire nanomacchine fatte di roba più resistente delle proteine.  

Mano a mano che la nanotecnologia andrà oltre l'esigenza di dover semplicemente fare affidamento sulle proteine, essa si svilupperà secondo percorsi che, considerati da un punto di vista ingegneristico tradizionale, sembrano più ordinari. Le molecole saranno assemblate come fossero componenti del gioco del Mecano e a tali assemblaggi verranno mano a mano vincolate altre, ben legate, parti assemblate. Proprio come gli strumenti ordinari possono costruire macchine ordinarie a partire dalle loro parti costituenti, così gli strumenti molecolari legheranno assieme molecole per realizzare minuscoli ingranaggi, motori, leve e rivestimenti, ed in seguito assembleranno insieme queste parti per comporre delle macchine più complesse.  

Le parti contenenti solo pochi atomi avranno un aspetto piuttosto accidentato, ma gli ingegneri potranno lavorare anche con questi componenti dall'aspetto accidentato, se potranno supportarli con degli adeguati e levigati cuscinetti. È facile per alcuni legami fra due atomi funzionare da fini cuscinetti, in modo che un componente possa essere montato per mezzo di un singolo legame chimico(20) che lasci il componente capace di ruotare liberamente ed in maniera uniforme. Poiché un cuscinetto può essere realizzato utilizzando solo due atomi (e poiché le parti mobili necessitano solo di pochi atomi), le nanomacchine potranno di fatto essere costituite da componenti meccanici di dimensioni molecolari.  

Come si potrebbe riuscire a costruire queste macchine migliori? Nel corso degli anni, gli ingegneri hanno sfruttato la tecnologia per migliorare la tecnologia stessa. Hanno impiegato strumenti di metallo per modellare i metalli in strumenti migliori ed hanno utilizzato dei computer per progettare e programmare computer migliori. Allo stesso modo useranno nanomacchine costituite da proteine per costruire nanomacchine migliori. Gli enzimi ci indicano quale sia la giusta strada da intraprendere: assemblano grosse molecole "afferrandone" di più piccole dall'acqua attorno a loro e mantenendole vicine fra loro fino a formare un legame. Gli enzimi assemblano in questa maniera DNA, RNA, proteine, grassi, ormoni e clorofilla, ossia potenzialmente l'intero spettro delle molecole che è possibile trovare nelle cose viventi.  

Per cui, gli ingegneri biochimici costruiranno dei nuovi enzimi utilizzabili per assemblare nuove configurazioni di atomi. Per esempio, potrebbero fabbricare una macchina simile ad un enzima che aggiunga atomi di carbonio ad un piccolo puntino iniziale, livello su livello. Se correttamente legati, gli atomi formeranno una fibra di diamante(21) purissima e flessibile, oltre cinquanta volte più robusta di un blocco di alluminio dello stesso peso. Le compagnie aereospaziali farebbero la fila per comprare tonnellate di queste fibre, allo scopo di ricavarne avanzati materiali composti (e ciò mostra parzialmente quale sia uno dei tanti motivi per cui la competizione militare favorirà il progresso della tecnologia molecolare, come già in passato ha spinto in avanti tanti altri campi).  

Ma il grande progresso arriverà quando le macchine proteiche saranno capaci di realizzare strutture ben più complesse che non le semplici fibre. Queste macchine proteiche programmabili saranno gli analoghi dei ribosomi programmati dall'RNA, o gli analoghi della più antica fra le generazioni di macchine utensili automatiche programmate da nastri perforati. Le macchine proteiche programmabili schiuderanno un nuovo mondo di possibilità, consentendo agli ingegneri di fuggire dalle limitazioni imposte dalle proteine e di costruire con progettazione diretta macchine robuste e compatte.  

Le proteine ingegnerizzate potranno frantumare e ricomporre le molecole nello stesso modo in cui attualmente possono farlo gli enzimi. Le proteine esistenti si legano ad una gran varietà di molecole più piccole utilizzandole come utensili chimici; le nuove proteine ingegnerizzate utilizzeranno tutti questi utensili e molti altri.  

Inoltre, i chimici organici hanno dimostrato che le reazioni chimiche possono produrre notevoli risultati anche senza nanomacchine che dirigano le molecole. I chimici non hanno controllo diretto sui movimenti tumultuosi delle molecole in un liquido, per cui le molecole sono libere di reagire in qualsiasi modo possano farlo a seconda di come vanno a scontrarsi l'una contro l'altra. Tuttavia i chimici non possono indurre delle molecole reattive(22) a formare strutture regolari come, ad esempio, molecole cubiche o dodecaedriche, o strutture dall'aspetto improbabile come anelli molecolari con legami altamente stirati. Le macchine molecolari, in quanto produttori di legami, saranno capaci di una versatilità ancora più grande perché potranno usare movimenti molecolari analoghi a quelli naturali e al tempo stesso potranno anche guidare questi movimenti in modi impossibili per i chimici.  

Infatti, poiché i chimici non possono ancora dirigere i movimenti molecolari, raramente possono assemblare delle molecole complesse in accordo ad intenti specificati. Le più grandi molecole con configurazioni complesse ed esattamente specificate che i chimici siano in grado di produrre sono tutte delle catene lineari. I chimici costruiscono queste configurazioni (come nelle macchine genetiche) aggiungendo in sequenza le molecole costituenti una per volta ed accrescendo gradualmente la catena. Esistendo un solo possibile sito di legame, imposto dalla catena stessa, i chimici possono essere certi di aggiungere il pezzo successivo nella posizione giusta.  

Tuttavia, nel caso di una molecola più o meno rotondeggiante, ma irregolare, e che abbia, diciamo, un centinaio di atomi di idrogeno sulla sua superficie, come potrebbero i chimici staccare via un atomo, proprio uno in particolare (ad esempio quello cinque atomi più su e tre di lato rispetto alla protuberanza frontale) per aggiungere qualcos'altro al suo posto? Provare a mescolare semplici reagenti chimici assieme di rado riuscirà a compiere il lavoro desiderato, perché le piccole molecole raramente possono selezionare specifiche posizioni in cui andare a reagire con una grossa molecola. Ma le macchine proteiche saranno molto più pignole.  

Una macchina proteica flessibile e programmabile afferrerà una grossa molecola (il pezzo di lavoro) e vi accosterà una piccola molecola esattamente nella posizione giusta. Proprio come fa un enzima, legherà le molecole assieme. Legando una molecola dopo l'altra al pezzo di lavoro, la macchina assemblerà una struttura via via più grande, mantenendo nel contempo il completo controllo del modo in cui gli atomi sono disposti. Questa è la abilità chiave che manca ai chimici. 

Proprio come già fanno i ribosomi, nanomacchine dotate di tali capacità possono lavorare sotto la direzione di nastri molecolari di istruzioni. Ma a differenza dei ribosomi esse maneggeranno una grande varietà di piccole molecole (non solo aminoacidi) e le collegheranno al pezzo di lavoro in qualunque posizione desiderata e non esclusivamente alla fine della catena. Le macchine proteiche saranno simultaneamente dotate delle tipiche capacità degli enzimi di separare e congiungere, e della programmabilità tipica dei ribosomi. Ma mentre i ribosomi possono costruire solo le labili disposizioni spaziali di una proteina, queste macchine proteiche potranno costruire oggetti piccoli e solidi fatti di metallo, ceramica o diamante: oggetti invisibilmente piccoli eppure tenaci.  

Dove c'è possibilità che le nostre dita di carne si ustionino o si feriscano, noi le sostituiamo con tenaglie d'acciaio. Dove c'è la possibilità che le macchine proteiche si stritolino o si disintegrino, le sostituiremo con nanomacchine composte da materiale più resistente.  

Assemblatori universali    

Queste nanomacchine di seconda generazione, costituite da ben più che semplici proteine, sapranno fare tutto quello che le proteine possono fare ma anche molto di più (23). In particolare, alcune serviranno come dispositivi più sofisticati per l'assemblaggio di strutture molecolari. In grado di tollerare, a seconda della loro specifica progettazione, ambienti acidi, vuoto, congelamento o cottura, gli analoghi degli enzimi rappresentati dalle macchine di seconda generazione saranno in grado di utilizzare come "strumenti" quasi qualsiasi molecola reattiva usata dai chimici, ma sapranno maneggiarla con la precisione di macchine programmate. Potenzialmente sapranno legare assieme gli atomi in qualsiasi schema stabile, aggiungendo pochi atomi per volta alla superficie di un pezzo in costruzione, fino a completare una complessa struttura. Si pensi a queste nanomacchine come assemblatori(24).  

Poiché gli assemblatori ci consentiranno di posizionare atomi in qualsiasi disposizione ragionevole (25) (come discusso nelle note), essi ci metteranno in grado di costruire quasi qualunque cosa la cui esistenza sia permessa dalle leggi della natura. In particolare, ci permetteranno di costruire qualunque cosa saremo in grado di progettare, inclusi altri assemblatori. Le conseguenze di ciò saranno profonde visto che i nostri rozzi strumenti ci hanno permesso fino ad ora di esplorare solo una piccola parte dell'insieme di possibilità consentito dalle leggi naturali. Gli assemblatori schiuderanno un intero mondo di nuove tecnologie.  

I progressi nella tecnologia spaziale, in quella medica, nel calcolo e nella produzione, nonché nella tecnologia bellica, dipendono tutti dalla nostra capacità di realizzare disposizioni di atomi. Con gli assemblatori saremo in grado di modellare nuovamente il nostro mondo, oppure di distruggerlo. Quindi, a questo punto, sembra saggio fare un passo indietro e guardare a queste possibilità con la massima chiarezza consentitaci, in modo da essere sicuri che assemblatori e nanotecnologia non siano un mero miraggio futuristico.  

Riepilogo delle conclusioni    

In ognuna delle cose che ho descritto, mi sono strettamente attenuto a fatti dimostrati della chimica e della biologia molecolare. Tuttavia, la gente solleva regolarmente inevitabili obiezioni correlate ai principi della fisica e della biologia. Tali obiezioni meritano delle risposte più dirette.  

° Il principio di indeterminazione della fisica quantistica rende inattuabili le macchine molecolari? 

Questo principio asserisce (fra le altre cose) che non è possibile stabilire precisamente la posizione di una particella durante un comunque fissato intervallo di tempo. Tale principio pone un limite a quello che le macchine molecolari possono fare, così come pone un limite a qualsiasi altra cosa si possa fare. Ciononostante, i calcoli mostrano che il principio di indeterminazione pone pochi importanti limiti su "quanto bene" gli atomi possano essere mantenuti in una posizione stabilita, almeno per gli scopi qui delineati. Il principio di indeterminazione rende le posizioni degli elettroni piuttosto "vaghe" e di fatto questa incertezza determina l'effettiva dimensione e struttura degli atomi. Un atomo, inteso come ente unico, ha comunque una posizione relativamente definita, determinata dalla posizione del suo nucleo di massa. Se gli atomi non stessero in una posizione sufficientemente definita, le molecole non esisterebbero. Non c'è bisogno di studiare la meccanica quantistica per confidare in queste conclusioni, poiché le macchine molecolari nelle cellule dimostrano che una macchina molecolare può funzionare.  

° Le macchine molecolari potrebbero non funzionare, o comunque essere troppo inaffidabili per essere usate, a causa delle vibrazioni molecolari dovute al calore?  

Le vibrazioni termiche causeranno problemi ben più grandi rispetto a quelli causati dal principio di indeterminazione, tuttavia anche in questo caso l'esistenza di macchine molecolari naturali costituisce la dimostrazione diretta che le macchine molecolari possono funzionare a temperature ordinarie. A dispetto delle vibrazioni termiche, il macchinario di copiatura del DNA in certe cellule(26) compie meno di un errore ogni cento miliardi di operazioni. Per ottenere questa accuratezza, comunque, le cellule utilizzano alcune particolari macchine (come l'enzima denominato " DNA polimerasi I ") che lavorano sulla copia come farebbe un correttore di bozze, correggendo gli errori della copia. Gli assemblatori potrebbero necessitare di analoghe capacità di controllo, detenzione e correzione degli errori, perché possano essere in grado di produrre risultati affidabili.  

° Le radiazioni potrebbero distruggere le macchine molecolari, rendendole inutilizzabili?  

Le radiazioni d'alta energia possono rompere i legami molecolari e distruggere le macchine molecolari. Ancora una volta le cellule viventi mostrano che esistono delle soluzioni: esse funzionano per anni riparando e rimpiazzando le parti danneggiate dalle radiazioni(27). Poiché le macchine, individualmente, sono comunque così minuscole, esse costituiscono bersagli piccoli per le radiazioni e ne vengono raramente colpite. Inoltre, se un sistema di nanomacchine deve essere affidabile, deve tollerare una certa percentuale di danno e le parti danneggiate devono regolarmente essere riparate o sostituite. Questo approccio alla affidabilità è ben noto ai progettisti di aereoplani e navette spaziali.  

° Poiché l'evoluzione non è riuscita a produrre assemblatori, questo non dimostra che essi sono impossibili o privi d'utilità?  

Alle prime domande si è risposto in parte guardando al funzionamento del macchinario molecolare delle cellule. Esso infatti rappresenta una prova semplice e potente del fatto che le leggi naturali consentono, a piccoli raggruppamenti di atomi, di comportarsi come macchine controllate in grado di costruire altre nanomacchine. Tuttavia, a dispetto della loro somiglianza di base con i ribosomi, gli assemblatori differiranno da qualsiasi cosa mai trovata nelle cellule; le cose che produrranno, pur fabbricate per mezzo di movimenti ordinari ed ordinarie reazioni molecolari, rappresenteranno risultati del tutto inediti. Nessuna cellula, per esempio, produce fibre di diamante.  

L'idea che nuovi tipi di nanomacchine ci metteranno a disposizione capacità nuove ed utili capacità, potrebbe sembrare sbalorditiva: in tutti i suoi miliardi di anni di evoluzione la vita non ha mai smesso di basarsi(28) sulle macchine proteiche. Questo suggerisce forse che sono impossibili dei miglioramenti? L'evoluzione avanza attraverso piccoli cambiamenti e l'evoluzione del DNA non può facilmente sostituire il DNA stesso. Poiché il sistema DNA/RNA/ribosomi è specializzato nel produrre proteine, la vita non ha nessuna opportunità reale di evolvere una alternativa. Qualunque manager di produzione ne può ben apprezzare la ragione; anche più di quel che accade in una fabbrica, la vita non può permettersi di arrestarsi per sostituire i suoi vecchi sistemi.  

Non dovremmo perciò essere sorpresi delle migliorie possibili sulle macchine molecolari più di quanto lo siamo del fatto di poter produrre leghe d'acciaio dieci volte più forti delle ossa o cavi di rame che trasmettono segnali un milione di volte più velocemente di quanto facciano i nervi. Le automobili sorpassano i ghepardi, gli aerei jet volano più veloci dei falchi ed i computer già superano le capacità di calcolo mentale umano. Il futuro porterà ulteriori esempi di migliorie che sono possibili rispetto alla evoluzione biologica, nell'ambito delle quali la seconda generazione di nanomacchine non sarà che una di esse.  

In termini fisici è abbastanza chiaro perché gli assemblatori avanzati saranno in grado di fare più di quanto siano capaci di fare le macchine proteiche esistenti. Essi saranno programmabili come i ribosomi, ma capaci di usare un insieme di strumenti più ampio di quello costituito da tutti gli enzimi di una cellula messi insieme. Poiché, rispetto alle proteine saranno fatti di materiali molto più forti rigidi e stabili, saranno quindi in grado di esercitare forze più grandi e muoversi con più grande precisione nonché sopportare condizioni più difficili. Come i bracci di robot industriali, ma a differenza di qualsiasi cosa in una cellula vivente, essi saranno capaci di spostare e ruotare molecole in tre dimensioni e sotto controllo programmato, rendendo possibile il preciso assemblaggio di oggetti complessi. Questi vantaggi li renderanno capaci di assemblare un insieme di strutture molecolari più vasto di quello che le cellule viventi hanno finora realizzato.  

° Non c'è qualcosa di magico e speciale nella vita che dovrebbe quindi essere indispensabile per rendere funzionanti le macchine molecolari artificiali?  

Si potrebbe dubitare che le nanomacchine artificiali possano mai eguagliare le capacità delle nanomacchine naturali delle cellule se ci fosse una qualche ragione di credere che le cellule contengano qualche specialità magica che permette loro di funzionare. Questa idea è chiamata "vitalismo". I biologi l'hanno abbandonata perché hanno trovato spiegazioni chimiche e fisiche per ogni aspetto delle cellule viventi finora studiato, inclusi il loro moto, la loro crescita e la loro riproduzione. Di fatto, questa conoscenza costituisce il fondamento essenziale delle biotecnologie.  

Le nanomacchine che fluttuano in sterili provette da laboratorio, ossia liberamente fuori dalle cellule, sono state in grado di svolgere tutti i tipi di attività basilari che svolgono nelle cellule viventi. Partendo da reagenti chimici che possono essere estratti da aria ricca di smog i biochimici hanno costruito macchine proteiche senza aiuto dalle cellule. R. B. Merrifield(29), per esempio, ha usato tecniche chimiche per assemblare semplici aminoacidi, fino a produrre ribonucleasi pancreatica bovina, un dispositivo enzimatico che disassembla molecole di RNA. La vita è speciale nella sua struttura, nel suo comportamento e in quello che di essa "percepiamo" essendo noi stessi "vivi", tuttavia le leggi della natura che governano il suo macchinario molecolare governano anche il resto dell'universo.  

° I motivi della realizzabilità degli assemblatori e di altre nanomacchine saranno anche solidamente fondati, ma perché non aspettare semplicemente di vedere se queste cose possano essere sviluppate?  

La pura curiosità sembra motivo sufficiente per esaminare le possibilità che la nanotecnologia ci aprirebbe, ma ci sono anche motivi più forti per farlo. Questi sviluppi si propagheranno come un'onda lungo il mondo intero e lo faranno entro un periodo che va da dieci a cinquant'anni; il che significa entro il tempo di vita che ci attendiamo per noi stessi o per le nostre famiglie. C'è da dire inoltre che le conclusioni a cui si giunge nei capitoli seguenti suggeriscono che una politica di "aspetta e guarda" potrebbe essere molto costosa, nel senso che potrebbe costare molti milioni di vite nonché, forse, persino la fine della vita sulla Terra.  

I motivi della realizzabilità della nanotecnologia e degli assemblatori sono sufficientemente fondati da dover prendere in seria considerazione queste cose? Sembra che sia proprio così, perché il nucleo centrale della possibilità si basa su due fatti ben stabiliti della scienza e dell'ingegneria. Questi fatti sono: (1) che le macchine molecolari esistenti sono in grado di svolgere un insieme di funzioni di base, e (2) che le parti che svolgono queste funzioni di base possono essere combinate per costruire macchine complesse. Poiché le reazioni chimiche possono legare assieme gli atomi in diversi modi e poiché le macchine molecolari possono dirigere le reazioni chimiche in accordo a istruzioni programmate, gli assemblatori sono indubbiamente realizzabili.  

Nanocomputer    

Gli assemblatori prepareranno la strada ad un altro passo avanti tecnologico di importanza ovvia e basilare: gli ingegneri infatti sfrutteranno gli assemblatori per ridurre la dimensione ed i costi dei circuiti per computer ed accelerare di fattori enormi la loro velocità operativa.  

Con l'attuale tecnologia di "mole", gli ingegneri tracciano degli schemi su schegge di silicio e vi lasciano depositare atomi e fotoni, ma gli schemi restano comunque piatti e sono inevitabilmente caratterizzati da difetti di scala molecolare. Tuttavia, con gli assemblatori, gli ingegneri realizzeranno circuiti in tre dimensioni e costruiti con precisione atomica. I limiti esatti della tecnologia elettronica odierna rimangono incerti, perché il comportamento quantistico degli elettroni in complesse reti di minuscole strutture è inscindibile da problemi complessi, alcuni dei quali risultanti direttamente dal principio di indeterminazione. Qualunque siano i limiti effettivi, sarà comunque possibile raggiungerli con l'aiuto degli assemblatori.  

I più veloci fra i computer sfrutteranno effetti elettronici, ma i più piccoli potrebbero anche non farlo. Ciò potrebbe sembrarci strano e tuttavia l'essenza della computazione non ha nulla a che fare con l'elettronica. Un computer digitale è una raccolta di interruttori in grado di far commutare altri interruttori da condizioni di "acceso" a condizioni di "spento". Gli interruttori del computer partono da una determinata configurazione (per esempio rappresentante la somma 2 + 2), poi si commutano uno con l'altro in una nuova configurazione (rappresentante 4) e così via. Tali configurazioni possono rappresentare quasi qualunque cosa. Gli ingegneri costruiscono computer composti da minuscoli interruttori elettronici e connessi fra loro da cablaggi elettrici semplicemente perché degli interruttori meccanici connessi da bacchette o corde risulterebbero, allo stato attuale delle cose, troppo grandi, lenti, inaffidabili e dispendiosi.  

L'idea di un computer puramente meccanico è tutt'altro che nuova. In Inghilterra, durante la metà del 1800(30), Charles Babbage inventò un computer meccanico costituito da ingranaggi d'ottone; la sua collaboratrice, Augusta Ada, contessa di Lovelace, inventò la programmazione per computer. Babbage riprogettò senza fine la sua macchina, circostanza che, assieme alle difficoltà tecniche per la accurata produzione degli ingranaggi ed all'ostilità dei critici attenti al bilancio economico (alcune di queste critiche riguardavano dubbi sulla stessa utilità dei computer!), contribuì ad impedire il completamento del progetto.  

In questa tradizione, Danny Hillis e Brian Silverman del Laboratorio di Intelligenza Artificiale del MIT, hanno costruito un computer "dedicato", specializzato nel giocare a tic-tac-toe (NdT - gioco noto in Italia come 'Tris'). Di dimensioni di metri e pieno zeppo di alberi rotanti e telai mobili che rappresentano lo stato del tavoliere di gioco e la strategia di azione, questo computer si trova adesso al Computer Museum di Boston. Assomiglia molto ad un enorme modello di molecola realizzato con biglie e bacchette che connettono le biglie, e proprio per questo è stato costruito con pezzi del Mecano.  

Ingranaggi di ottone e pezzi di Mecano possono solo dar forma a computer lenti ed ingombranti. Tuttavia, con componenti della estensione di pochi atomi, un computer puramente meccanico potrebbe occupare un centesimo di micrometro cubo e risulterebbe perciò molti miliardi di volte più compatto di quelli realizzabili con la "cosiddetta" microelettronica attuale. Anche se avesse un miliardo di bytes di memoria, un computer nanomeccanico potrebbe stare in una scatola di un micrometro di lato(31), all'incirca la dimensione di un batterio. E sarebbe persino veloce. Nonostante nelle macchine attuali i segnali meccanici(32) si propaghino circa centomila volte più lentamente dei segnali elettrici, i primi avrebbero bisogno di percorrere distanze un milione di volte più brevi, determinando così ritardi di propagazione inferiori. Sicché, un computer puramente meccanico lavorerebbe più velocemente dei frenetici computer elettronici odierni.  

Per finire, considerando invece dei nanocomputer elettronici, essi saranno probabilmente anche migliaia di volte più veloci dei microcomputer elettronici, anzi forse persino centinaia di migliaia di volte più veloci se uno schema di progetto proposto dal premio Nobel per la Fisica Richard Feynman(33) dovesse dimostrarsi capace di funzionare. In elettronica, accrescere la velocità per effetto della riduzione della dimensione è una vecchia storia.  

Disassemblatori    

I computers molecolari dirigeranno gli assemblatori molecolari, fornendo loro il rapido flusso di istruzioni necessarie a comandare il posizionamento di un immenso numero di atomi. Nanocomputer con dispositivi molecolari di memoria, immagazzineranno anche dati generati da un processo che è l'esatto contrario dell'assemblaggio.  

Gli assemblatori aiuteranno gli ingegneri a sintetizzare le cose; i loro "complementari", i disassemblatori(34), aiuteranno gli scienziati e gli stessi ingegneri ad analizzare le cose. La realizzabilità degli assemblatori si basa sulla capacità degli enzimi e delle reazioni chimiche di formare legami e su quella delle macchine di controllare il processo. La realizzabilità dei disassemblatori si basa sulla capacità degli enzimi e delle reazioni chimiche di rompere legami e su quella delle macchine di controllare il processo. Enzimi, acidi, ossidanti, metalli alcalini, ioni ed i gruppi di atomi reattivi denominati "radicali liberi", possono tutti rompere legami e rimuovere gruppi di atomi. Poiché nulla è assolutamente immune alla corrosione, sembrerebbe perciò che gli utensili molecolari saranno in grado di smantellare ogni cosa, pochi atomi alla volta. Ed in più, una nanomacchina potrebbe (per necessità o convenienza) anche saper applicare adeguate forze meccaniche, riuscendo di fatto a curiosare all'interno dei gruppi di atomi appena liberati.  

Una nanomacchina in grado di far tutto questo e che allo stesso tempo mantiene una registrazione di ciò che, livello dopo livello, sta rimuovendo, è un disassemblatore. Assemblatori, disassemblatori e nanocomputer lavoreranno assieme. Per esempio, un sistema di nanocomputer sarà in grado di dirigere il disassemblamento di un oggetto, registrare la sua struttura e poi dirigere l'assemblaggio di sue copie perfette. E tutto ciò ci fornisce qualche indizio per afferrare quale sia la potenza implicita nella nanotecnologia.  

Il mondo ricreato    

Ci vorranno anni perché compaiano gli assemblatori ma il loro emergere sembra quasi inevitabile: sebbene percorrere l'intera strada che conduce verso gli assemblatori richieda il compimento di molti passi distinti, ogni passo ci condurrà al punto dal quale potremo cominciare a lavorare per il successivo, ed ogni passo compiuto comporterà immediate ricompense. I primi passi sono già stati fatti sotto i nomi di ingegneria genetica e biotecnologia. Sembra che esistano anche altre possibili strade che conducono verso gli assemblatori. Fatta eccezione per il verificarsi di eventi come distruzioni o dittature totalitarie di estensioni mondiali, la corsa tecnologica proseguirà, che lo si desideri o meno. E quando i progressi nella progettazione assistita dal calcolatore andranno ad accelerare lo sviluppo di strumenti molecolari, i progressi verso gli assemblatori diverranno acutamente più rapidi.  

Per avere qualche speranza di comprendere il nostro futuro, dobbiamo capire le conseguenze degli assemblatori, dei disassemblatori e dei nanocomputer. Essi promettono di provocare trasformazioni tanto profonde quanto quelle causate dalla rivoluzione industriale, dagli antibiotici e dalle armi nucleari, tutte assieme, in un unico massiccio passo avanti tecnologico. Per comprendere un futuro di così profonda trasformazione, ha senso esplorare gli intrinseci principi del cambiamento che hanno caratterizzato ognuno dei più grandi sconvolgimenti del passato. Essi possono dimostrarsi una utile guida.


Note e bibliografia
Torna all'Indice
Vai al prossimo capitolo: I principi del cambiamento

 

Tecnofascismo? No grazie.

  • Una serie di articoli su sovrumanismo e dintorni e sui motivi che hanno spinto Estropico ad andarsene dalla Associazione Italiana Transumanisti.
  • Aggiornamenti (su Estropico Blog)

Varie