据我们所知，所有生命都是由一个分子一个分子组装而成的。我们身体的蓝图被编码在 DNA 和 RNA 的丝带上。称为核糖体的细胞工厂通过将氨基酸连接成称为蛋白质的长链，使这些蓝图成为物理的。这些蛋白质，其中有数亿，形成了一系列壮观的自然技术：眼睛、肌肉、骨骼和大脑。
整个生命世界都是由这些惊人的分子机器建造的。
随着科学家对生命机制的了解越来越多，他们开始掌握控制权。基因工程师正在用基因编辑工具调整代码来治疗疾病。合成生物学家正在诱使转基因细菌生产生物燃料等物质，或将社会的废物转化为有价值的化学品。还有更多的研究人员打算将 DNA 用于数字存储甚至机器人技术。
但是生命系统可以做的事情是有限度的：它们处理基于碳的化学。我们是否可以通过在无机成分中反映生命机制来创造新事物？曼彻斯特大学有机化学家大卫·利认为是这样。 “作为合成科学家，我们拥有可以使用的整个元素周期表，”他告诉《连线》杂志。 “它打破了生物学受到限制的方式。”
他的团队的最新工作发表在Nature 杂志的一篇文章中，描述了朝着最终目标迈出的关键一步：工作分子计算机。虽然还有很长的路要走，但 Leigh 的愿景完全实现将带来一种新的构建和计算方式。分子计算机可以存储数据，并且像核糖体一样，从编码的蓝图组装物理产品。他们可能不会将氨基酸串成蛋白质，而是生产出具有新特性的微调材料，这是任何其他方式都无法制造的。
图灵机
艾伦·图灵领先于他的时代，但事实证明，大自然领先于图灵。
1936 年，图灵草拟了一个关于后来被称为图灵机的思想实验。在其中，他想象一个带有符号的磁带被输入机器，该机器可以读取符号并将它们转化为某种动作。图灵机是现代计算的理论基础，其中编码算法指示机器点亮像素、加载网站或生成散文。
由于另一个原因，图灵的机器听起来应该很熟悉。这类似于核糖体读取 RNA 带上的遗传密码以构建蛋白质的方式。
蜂窝工厂是一种天然的图灵机。 Leigh 的团队所追求的工作方式相同，但超越了生物化学。这些微型图灵机或分子计算机将允许工程师将一些物理输出的代码写入合成分子带上。另一个分子会沿着丝带移动，读取（并在某天写入）代码，并输出一些特定的动作，比如催化化学反应。
现在，Leigh 的团队表示，他们已经构建了分子计算机的第一个组件：编码分子带和代码的移动分子阅读器。
几十年来，研究人员一直梦想着分子计算机。据法国国家科学研究中心的让-弗朗索瓦·卢茨 (Jean-François Lutz) 称，Leigh 的最新工作是向前迈出的显着一步。 “这是第一个原则证明，表明你可以有效地做到这一点，” 他告诉《连线》杂志。 “它已经被概念化，但从未真正实现。”这是它的工作原理。
分子环和丝带
Leigh 的分子机器有几个关键部分：带有精心设计的对接位点的分段分子带、与带结合并沿带移动的分子环，以及系统的许多副本漂浮的解决方案。该团队用酸脉冲为系统提供燃料，改变溶液的 pH 值并改变色带的结构。
在第一个脉冲下，自由分子环——在这种情况下，是一个冠醚，或一个醚基环——将自己穿在丝带上，停靠在几个结合位点中的第一个。每个结合位点的化学组成都会引起冠醚的立体化学变化。也就是说，结合位点在不改变其组成的情况下改变了冠醚在空间中的方向。
额外的酸脉冲使冠醚沿着连续的结合位点移动，每个新位点都会使其自身扭曲成不同的编码配置。
在@Nature中，一种读取立体化学而不是核苷酸密码子的磁带读取分子
https://t.co/rSYjlAZJy5恭喜@YansongRen @RJamagne和 Dan！许多 tks 到@SciCommStudios用于图形和动画
[
：左下角=磁带势能面；右=CD频谱] pic.twitter.com/EWiBaYzMNr
— 戴夫·利 (@ProfDaveLeigh) 2022 年 10 月 19 日
这些立体化学变化是关键。团队为每个配置分配了一个值。他们没有选择二进制代码中的 1 和 0，而是选择 -1、0 和 +1 来表示两个立体化学扭曲（每个都是另一个的镜像）和一个中性位置。因此，当冠醚穿过分子带时，它的化学变化读出了代码。
这一切都是肉眼看不见的——那么，他们怎么知道它有效呢？每个冠醚配置扭曲光线略有不同。通过将溶液沐浴在光中，他们可以观察发生的变化。研究小组发现，扭曲的光与冠以太沿着丝带的行进相匹配，完全按照编码的方式传播信息。
长路
最近的工作是一个引人入胜的概念证明，但它仍然只是这样。系统很慢——从一个站点移动到另一个站点需要几个小时——只能在一个方向读取，还不能写入信息。它还没有预示着分子计算机即将到来。 “在化学中做梦总是很容易——实现它是不同的，”卢茨说。
尽管如此，这是朝着正确方向迈出的一步，接下来的步骤正在进行中。 Leigh 说他的团队计划让系统写入数据。他还认为更快的速度是可能的——尽管对某些应用程序可能不太重要——并且它们可能会通过从三位数系统提高到五位数甚至七位数来提高信息密度。
随着科学家在 Leigh 等工作的基础上开展工作，他们可能会开辟一个与有机世界相邻的合成分子机器的平行宇宙。
图片来源： Raphaël Biscaldi / Unsplash