Der Grund, warum sie sich für ein Bit mit höherer Informationsdichte entscheiden könnten, liegt in der Physik des Lesekopfs. Wenn der Kopf bei -1 bleibt, verzieht er sich auf vorhersehbare Weise. Wenn es an einem Abschnitt bleibt, der als +1 gilt, verzerrt es sich in die entgegengesetzte Richtung. Für 0 keine Verzerrung.
Wenn Sie dann Licht auf die molekulare Maschine richten, während sie liest, wird jede der drei Verzerrungen dieses Licht auf einzigartige Weise verdrehen. Die Wissenschaftler konnten verfolgen, wie der Kopf seine Form veränderte, indem sie dieses Licht lasen. Sie verwendeten ein Verfahren namens Zirkulardichroismus-Spektroskopie, um die Form der Sperrklinke zu bestimmen, während sie sich das Band hinab bewegte.
Endergebnis: Sie zeigten, dass der Kopf auf das reagiert, was er liest. Mit anderen Worten, sie fanden heraus, dass man die grundlegenden Prozesse der Physik und Chemie nutzen kann, um Informationen auf molekularer Ebene weiterzugeben. “Dies ist der erste Beweis für das Prinzip, der zeigt, dass man es effektiv tun kann”, sagt Jean-François Lutz, Polymerchemiker beim französischen Nationalen Zentrum für wissenschaftliche Forschung, der nicht an der Forschung beteiligt war. “Es wurde konzipiert, aber nie wirklich erreicht.”
„Die Art und Weise, wie die molekularen Maschinen entworfen wurden, ist wirklich kompliziert und wirklich schön“, sagt er Lee Cronin, ein Chemiker an der Universität Glasgow, der nicht an der Studie beteiligt war. (Cronins Team hat Pionierarbeit geleistet eine andere Art von chemischem Computer, genannt Chemputer, der automatisiert chemische Reaktionen zuverlässig.) „Wenn man den Zusammenbau auf molekularer Ebene digital steuern und jeden einzelnen Strang maßanfertigen könnte, dann könnte man erstaunliche Materialien herstellen“, fährt er fort. „Aber davon sind wir ein bisschen weit entfernt. Und ich bin bestrebt, das nicht zu versprechen.“
Auch Lutz achtet darauf, nicht zu viel zu versprechen. Er weist darauf hin, dass die Funktion „Lesen“ langsam ist und die Informationen, die gelesen werden können, minimal sind. Auch das „Schreiben“ von Informationen mit einem molekularen Computer, wie es nötig wäre, um tatsächlich neue Medikamente oder Kunststoffe herzustellen, ist noch nicht möglich.
Leigh macht sich keine Sorgen um die Geschwindigkeit. Im aktuellen Experiment dauerte es mehrere Stunden, um zwischen den Informationsblöcken zu wechseln. Er glaubt, dass es am Ende schneller gehen wird, denn in der Natur „können Ribosomen etwa 20 Ziffern pro Sekunde lesen“. Und der Minimalismus der Informationen ist ihm auch wichtig. Es geht darum, Informationen auf möglichst kleinem Raum zu packen – vielleicht für Computer, Datenspeicherung oder Fertigung – und sie autonom abzurufen. Er nennt es „die ultimative Miniaturisierung der Technologie“.
Allerdings hat er Ideen für Wachstum. Er stellt sich vor, eines Tages einen 5- oder 7-Wege-Code zu verwenden, der noch mehr Informationen in jeden Bandblock einbetten würde.
Der nächste Schritt nach vorne wird darin bestehen, seine molekularen Maschinen zum Laufen zu bringen schreiben. In der aktuellen Veröffentlichung schlägt Leighs Team vor, dass die formwandelnden Reader-Moleküle je nach Form unterschiedliche chemische Reaktionen katalysieren können. (Lesen Sie eine +1, erstellen Sie Molekül A. Lesen Sie eine 0, erstellen Sie Molekül B.) Sie können sich einen Bottich voller solcher molekularer Lesegeräte vorstellen, die alle darauf programmiert sind, dieselben Moleküle zu drucken, die als eine Art Fabrik fungieren – vielleicht um Super zu produzieren -Polymere, die Zellen niemals herstellen könnten. „Als Synthesewissenschaftler haben wir das gesamte Periodensystem der Elemente, das wir verwenden können“, sagt Leigh. “Es befreit sich von Wegen, die die Biologie einschränken.”
Leigh reizt es besonders, auf diese Weise neue Kunststoffe herzustellen. Kunststoffe wie Polystyrol, Polymethacrylat und Polypropylen sind Polymere, lange Ketten derselben sich wiederholenden Einheit oder Monomer. Ihre physikalischen Eigenschaften sind für uns nützlich. Aber wer weiß, welche Art von Supermaterialien durch absichtliches Mischen und Anpassen von Monomeren entstehen könnten?
Das Kombinieren von Bausteinen ist ein mächtiges Konzept in der Biologie. Zum Beispiel basieren alle Proteine der Welt auf einer Kombination von nur 20 Aminosäuren. „Nehmen Sie Spinnenseide – das ist ein Protein, und es ist fünfmal härter als Stahl“, sagt Leigh. „Wenn Sie genau die gleichen 20 Aminosäuren nehmen, sie aber in einer anderen Reihenfolge zusammensetzen, erhalten Sie Myosin, das der Bestandteil des Muskels ist und eine Kraft erzeugen kann, oder Sie können Antikörper herstellen.“
Lutz warnt davor, dass hochfliegende Ambitionen für molekulare Maschinen nichts Neues sind. „In der Chemie zu träumen ist immer ganz einfach – es zu verwirklichen, ist etwas anderes“, sagt er.
Dennoch bringen inkrementelle Fortschritte wie der von Leigh die Chemie ein wenig näher. „Wenn sie es skalieren können, wird es fantastisch“, sagt Cronin. „Aber von einer Turing-Maschine sind sie weit entfernt.“