牛津通识读本：分子 [19]
这些工具使得科学家们能够“改写细胞之书”，意即向生命体的基因组中插入新的基因。农作物科学家希望把抗虫、抗涝、抗除草剂基因植入植物中，还希望结合改进作物风味、提高增长率的基因。但这也有潜在的风险，具体而言，比如抗除草剂的基因有可能会从农作物体内转移到杂草的体内，产生“超级杂草”的新品种。人们尚不知晓这种基因跨物种“横向”转移的概率有多大。
有些人反对基因工程，认为篡改基本的生命材料DNA是违背伦理的，无论对象是细菌、人类、西红柿还是绵羊。这种反对意见是可以理解的，而且若以它不科学为由来驳斥就太傲慢了。不过这种意见的确与我们对生命分子基础的认识不太契合。一旦意识到我们的基因组成是多么随机——即便称不上任性，恐怕我们就很难再继续把它看作神圣不可侵犯的。我们的基因组里到处都是寄生着的废品，充斥着30亿年进化的残余。这套不成体统的文库里面似乎并没有什么优雅的、值得尊崇的东西，而真正值得尊崇的应该是蛋白质，一群群勤勤恳恳的蛋白质从长篇的废话中努力地筛选出有意义的片段。这一整套工作完成得如此之好，的确令人惊讶。但正如大多数生命现象一样，这也只是得过且过的办法，效率和整洁并不是重要的问题。
建筑设计图
DNA是“信息物质”的一个极端例子。它以非常特殊的方式遵循程序组装起来，每个核苷酸都与它的互补位置相匹配，一直能让上千个碱基对相互匹配。这种程序化自组装正体现了超分子化学的一个重要目标。原子自身相互之间的区别并不太大，但超越原子这种基本的建造单元而考虑制造分子，超分子化学家就可以给他们的砖块和马达编制程序，加入更多的引导信息。
DNA提供给我们的并不仅仅是程序化自组装的存在性定理，它也提供了编制程序的具体方法。对于比细胞的双螺旋远为复杂的结构，我们完全可以利用碱基互补原理把DNA支架拼接起来。
纽约大学的纳德里安·希曼就探索了这样的概念。他使用生物技术中的酶工具将DNA剪切并拼接成漂亮的形体，比如他造出了一个笼子状的多面体——立方体加个截角八面体（如图39）。形体中的棱都是DNA双螺旋，每个顶角处都有三条螺旋会聚。这些会聚处都是精心编织而成的：双螺旋的两条链在此处分离，走向不同的棱，与新的链互补组成双螺旋。对于会聚处的情形，希曼和同事们先精心设计好DNA序列，合成序列然后再拼接。
图39 用双链DNA组装成的多面体状分子
巧妙之处在于该怎样把三棱会聚点组装成三维几何结构的分子物体。希曼让棱都带有“黏性端头”，在端头双螺旋的其中一条链长于另一条。于是暴露在外的未配对碱基在遇到互补链时就能够去配对。这样一来，端头就具有了带选择性的黏性，可以与别的端头结合，于是整个结构就可以程序化地从零部件开始建造起自身。一旦黏性端头通过碱基间的氢键与别的链结合起来，接合酶就会在它们之间锻压出强键，保证骨架的稳固。
目前为止，这些分子建造其实还只是愚笨的技巧表演，只不过展示了对分子识别实现惊人的控制，从而建造起纳米尺度的结构。但希曼提出，在他这种实验中，DNA框架有可能充当脚手架，有效地组装起其他分子和材料。例如，我们有可能在DNA链外部覆盖上银，于是就把它们转化为导电的分子导线。那么，是不是有可能某一天通过对导线进行“基因”编程，建造出微型的、按特定模式连接起来的电路呢？
此外，带黏性端头的DNA还能够有选择性地粘接成分子尺度的物体。伊利诺伊州西北大学的查德·米尔金和同事们利用这个思路将金的小微粒组装成团簇。小颗粒原本只有几个纳米大小，即所谓的纳米晶体。每个颗粒都带有一个标记单链DNA，但标记序列没有互补关系，所以微粒保持分离状态。研究者们向其中加入一种单链DNA，它的两端分别与标记序列互补，于是纳米微粒就被连接到了一起。结果得到的团簇能够强烈地散射蓝色光，于是溶液就变成了葡萄酒的颜色。米尔金和同事们现在正在研发该技术的商业用途，希望成为特定DNA单链序列的简单的可视化检测方法，而这种检测方法正是基因分析中普遍的需求。
有的研究人员希望通过将金属或半导体的纳米晶体组装成有秩序的阵列，来制造更小的电子器件，远小于当今用来制造硅芯片的传统微细加工技术所制造出的器件。半导体纳米晶体可以用作存放电子信息的存储元件，它们还能与光相互作用，用来制造光学信息处理器件。利用DNA连接来程序化地组装纳米晶体，有可能成为排列电路模式的一种方法。得克萨斯大学的安杰拉·贝尔彻和同事们的研究还提示了另一种可能的途径：他们利用的是蛋白质的分子识别性质，而没有利用DNA。他们研发出一种很小的多肽分子，能够识别不同种类的半导体，并粘接在其表面。这种多肽可以“感觉到”半导体晶体表面的原子是怎样组织的。也许有一天，可以给基因工程马达蛋白（参见第五章）装上这种识别特定半导体的多肽手臂，于是就能将纳米晶体拖拽到分子建造的位点附近，并把它们排列成电路的模式。
分子逻辑
自从计算机在1940年代发明出来，新机器的计算能力大约每18个月就翻一倍。这种趋势就是以1965年首次提出者、英特尔的共同创始人戈登·摩尔的名字所命名的摩尔定律，它是由电路微型化驱动的。随着人们能够将更多的电路元件压缩在既定的空间中，计算能力就得到了提升。但如果摩尔定律还要继续维持25年以上，电子器件就必须减小到纳米量级，即分子的尺度。
但还没有人知道应该怎样去实现它，因为在这样的尺度下，集成电路的劳力——硅晶体管就会发生泄漏，不能用作开关。为了继续让计算机变得更快、更强，有一派思想正在不断壮大，认为元件必须变成单个分子。这种前景和传统的信息技术大不相同，投入在其中的人们堪称胆大、狂热的投机者。
但这也并不是个新的想法。早在1974年，美国化学家马克·拉特纳和阿里·艾维瑞姆就提出了一种单分子整流器（只允许一个方向电流通过的器件）的设计。仅仅数年之后，学者们就发现了能导电的碳基聚合物，并开始寄希望于这种材料的单分子能够用作“分子计算机”的导线。分子电子学这一领域就此诞生。
但在接下来的约十年中，再没有更多的进展了。它只是一种超前于时代的思想，合成、排列、检测这种梦寐以求的分子器件的实验手段却是缺失的。而近些年来，好几条路径汇聚到一起，使这一领域复兴，并且分子电子学和它所附带的分子计算也最终得到来自重要人士——制造计算机的公司——的认真关注。
分子信息处理技术的一个核心要素就是开关——能替代晶体管的器件。用最初等的语言讲，开关能够处于两种不同的稳定状态——“开”和“关”。晶体管在“开”的时候导通电流，“关”的时候阻断电流。不过，开关之间只有在相互连接起来时才能有信息处理的用处，能够彼此通话，前后传递信息。而用分子实现这个目标很难。
1999年，加州大学洛杉矶分校的詹姆斯·希斯及合作者们宣布了这方面的成果，这是一项与计算机巨头惠普公司的合作。他们基于有机分子实现了数个开关的互连，制造出了电控制的逻辑门。
在计算机电路中，信息是以二进制形式编码的，即1和0组成的序列。信号1对应于一定电压的电脉冲，信号0对应于零电压。整个电路中只发送这两种信号，没有信号1/2或者信号2。数据编码成1和0的序列，正如同DNA将信息编码成核苷酸碱基序列。二进制编码比基因编码还要简单一些：它只有两种字符而已。编码信号中的每个信息单元——1或0——就称作一个二进制位，或者比特。
计算机使用逻辑门来操作二进制信息并进行计算，所谓逻辑门就是进行决策的器件或电路。逻辑门接收一个或多个输入信号，并发出一个或多个输出信号。而输出的信号依赖于输入的内容。以“与”门为例，它接收两个输入比特，产生一个输出比特。若两个输入均为1，则输出也为1；若其中任何一个输入为0，则输出为0。对类似这样的逻辑门进行简单地组合，就可以执行算术：例如，以二进制的形式读入两个数，产生的输出编码了两者之和或两者之差。
希斯和同事们用一种称作轮烷的分子开关构造了“与”门。轮烷是一种两分子的组合体，由一个环穿在一根棒上。棒的两端固定有大螺帽部件，防止环掉出。棒被设计得能够吸引环，于是两种分子混合时就自发套在一起。这之后再加入端头的螺帽。希斯在加州大学洛杉矶分校的同事弗雷泽·斯托达特注，早在1980年代于英格兰的谢菲尔德大学就研发出一种技术，用以制造这种分子组合体。
研究者们将轮烷在金属电极上排布成一层，并在其上沉积很细的金属导线。在导线上施加电压，分子就从低导通状态切换到高导通状态。依附于单个导线上的数千个分子就组成了一个单个的、可切换状态的器件。研究者们将几个这种装置连接起来，制成了一个“与”门。
他们说，从原理上讲，应当可以用单个可切换状态的分子来制造这种器件。但在单个分子间进行电路连接很困难，也很难测量其间的微弱电流。但这也并非完全不可能。美国的马克·里德、詹姆斯·图尔和同事们就测量了连接两个金电极的单条“分子导线”上的电导率。
弗雷泽·斯托达特与博洛尼亚的温琴佐·巴尔扎尼以及其他同事们合作，展示了单分子制成的另一种不同的逻辑操作——“异或”门。和“与”门一样，“异或”门也有两个输入和一个输出。当输入信号不同时（0和1，或1和0），输出信号为1；当输入信号相同时（0和0，或1和1），输出信号为0。研究者们观察到准轮烷也有这样的行为特点。所谓准轮烷，也是一种环套棒型的分子组合体，但没有棒两端的阻挡，所以环有可能从棒上滑落。
这种装置的输入不是电信号，而是化学信号，产生的是光信号输出。也就是说，它能够根据“化学信号”究竟是“开”是“关”，即两种化学物质是否存在，