Una definizione tratta da un dizionario della parola "macchina" è "ogni sistema, solitamente costituito di corpi rigidi, formato e connesso per modificare e dirigere forze in una predeterminata maniera per realizzare uno specifico obbiettivo, come l'ottenimento di lavoro utile" . Le macchine molecolari si adattano abbastanza bene a questa definizione.
Per immaginare queste macchine, bisogna prima avere un'idea delle molecole. Possiamo paragonare gli atomi a perline e le molecole a grappoli di perline, come le perline di una collana chiuse da un fermaglio. Infatti i chimici visualizzano a volte le molecole costruendo modelli con biglie di plastica (alcune delle quali hanno collegamenti in diverse direzioni, come il centro di un Tinkertoy-set). Gli atomi sono tondeggianti come le perline e benché i legami molecolari non siano fermagli, la nostra rappresentazione coglie almeno la nozione essenziale di "legami che possono essere rotti e riformati".
Se un atomo avesse le dimensioni di una piccola biglia, una molecola abbastanza complessa sarebbe grande quanto un pugno. Un'immagine mentale molto efficace, ma in realtà gli atomi sono circa 1/10.000 dei batteri, e i batteri hanno pressappoco 1/10.000 della dimensione dei moscerini. Un nucleo atomico, tuttavia, è grande circa 1/100.000 dell'atomo stesso: la differenza fra un atomo e il suo nucleo è quella fra un fuoco e una reazione nucleare.
Gli oggetti che ci circondano hanno determinate caratteristiche che dipendono dal modo in cui le loro molecole si comportano.
L'aria non mantiene né una forma né un volume preciso perché le sue molecole si muovono liberamente, scontrandosi e rimbalzando nello spazio aperto. Le molecole dell'acqua rimangono legate insieme mentre si spostano, per questo l'acqua mantiene un volume costante mentre cambia forma. Il rame, invece, mantiene la sua forma perché i suoi atomi sono legati in strutture regolari; possiamo piegarlo e lavorarlo a martello poiché i suoi atomi possono scivolare l'uno sull'altro pur rimanendo legati assieme. Il vetro si spacca quando lo colpiamo, in quanto i suoi atomi si separano prima di scivolare. La gomma consiste di un reticolato di molecole attorcigliate, come un groviglio di molle; quando viene stirata e rilasciata, le sue molecole si allungano e poi riavvolgono ancora. Queste semplici strutture molecolari compongono le sostanze "passive", mentre strutture più complesse compongono le nanomacchine "attive" delle cellule viventi.
I biochimici lavorano già con queste macchine, che sono principalmente costituite da proteine, il principale materiale di costruzione delle cellule viventi. Queste macchine molecolari sono costituite da relativamente pochi atomi, per questo motivo hanno superfici accidentate, come un oggetto costruito incollando assieme una manciata di piccole biglie. Inoltre, molte paia di atomi sono collegati da legami che possono piegarsi o ruotare, e che conferiscono alle macchine proteiche una straordinaria flessibilità. Ma come tutte le macchine, hanno anche parti di diverse forme e dimensioni utili a scopi diversi. Ogni macchina usa gruppi di atomi come parti: le macchine proteiche semplicemente ne usano gruppi molto piccoli.
I biochimici sognano di progettare e costruire dispositivi come questi, ma ci sono delle difficoltà da superare. Gli ingegneri usano raggi laser per progettare gli schemi sui chip di silicio, ma i chimici devono lavorare in maniera molto meno diretta: quando assemblano le molecole in varie sequenze, hanno solo un controllo limitato sui legami fra le molecole. Se hanno bisogno di complesse macchine molecolari, devono ancora "prenderle in prestito" dalle cellule. Tuttavia, tali macchine potranno eventualmente permettere di costruire nanocircuiti e nanomacchine così semplicemente e indirettamente come adesso vengono costruiti microcircuiti o lavatrici; in tal modo il progresso diventerà improvviso e drammatico.
Gli ingegneri genetici stanno già mostrando la strada da seguire. Solitamente, quando i chimici devono creare catene molecolari - chiamate "polimeri" - versano le molecole in una soluzione, all'interno di un contenitore, dove possono "rimbalzare" e si legarsi in maniera casuale. Le catene così risultanti hanno varie lunghezze e le molecole sono legate una dietro l'altra in nessun ordine particolare.
Ma in una moderna macchina per la sintesi genetica, gli ingegneri costruiscono polimeri più ordinati - specifiche molecole di DNA - combinando le molecole in un ordine particolare. Queste molecole sono i nucleotidi del DNA ( le lettere dell'alfabeto genetico) : gli ingegneri non le "versano" tutte assieme, bensì dirigono la macchina in modo da aggiungere diversi nucleotidi in una sequenza particolare per "rappresentare" un messaggio particolare. Dapprima legano un tipo di nucleotide alle estremità della catena, poi lavano via il materiale rimasto e aggiungono altri prodotti chimici per preparare le estremità della catena a legare il nucleotide successivo. In questo modo, sviluppano le catene man mano che legano un nucleotide, uno alla volta, secondo una sequenza programmata, ancoràndo il primissimo nucleotide di ogni catena a una superficie solida per non lavar via la catena assieme alla soluzione in cui si trova. Per questa operazione, gli ingegneri si servono di una macchina grande e grossa collocata all'interno di un cabinet che serve ad assemblare particolari strutture molecolari cento milioni di volte più piccole.
Ma questo processo di assemblamento "alla cieca" a volte omette accidentalmente dei nucleotidi da alcune catene. La probabilità di errori aumenta con l'aumentare della lunghezza della catena. Come operai che scartano i pezzi difettosi prima di assemblare un'automobile, gli ingegneri genetici riducono gli errori scartando le catene difettose. Successivamente, per unire queste catene corte e formare geni funzionanti (solitamente lunghi migliaia di nucleotidi ) si rivolgono a macchine molecolari presenti all'interno dei batteri.
Queste macchine proteiche, dette restriction enzymes , "traducono" determinate sequenze di DNA nell'ordine "taglia qui": esse traducono queste sequenze per contatto, legandosi ad esse, e tagliano la catena risistemando pochi atomi. Altri enzimi congiungono assieme pezzi di DNA, traducendo le sequenze corrispondenti come "incolla qui"; ciò accade anche "leggendo" le catene con un'aderenza selettiva e congiungendo le catene in modo da riposizionare pochi atomi. L'uso di macchine genetiche per scrivere e restriction enzymes per tagliare e incollare, permette agli ingegneri genetici di scrivere e modificare sul DNA qualunque messaggio.
Considerato in se stesso, il DNA è una molecola alquanto inutile. Non è né forte come il Kevlar, né colorato come una tintura, né attivo come un enzima; eppure ha qualcosa per cui l'industria è pronta a investire milioni di dollari per poterla utilizzare: la capacità di dirigere macchine molecolari dette ribosomi. Nelle cellule, macchine molecolari dapprima trascrivono il DNA, copiando le sue informazioni su "nastri" di RNA. Quindi, un po' come le vecchie macchine a controllo numerico foggiano il metallo basandosi su istruzioni immagazzinate su cassette, i ribosomi costruiscono le proteine basandosi sulle istruzioni contenute nei filamenti di RNA. E le proteine sono molto utili...
Le proteine, come il DNA, somigliano a fili di perline. Ma diversamente dal DNA, le molecole proteiche si adattano a formare piccoli oggetti funzionali. Alcune sono enzimi, macchine che costruiscono e smontano molecole (e copiano il DNA, trascrivendolo, e costruiscono altre proteine del ciclo vitale). Altre sono ormoni, che si legano con altre proteine per segnalare alle cellule di modificare il proprio comportamento. Gli ingegneri genetici possono produrre questi oggetti in maniera economica manipolando l'efficiente meccanismo molecolare degli organismi viventi. A differenza degli impianti chimici, dove sono necessarie vasche di reagenti (che spesso falliscono nella costruzione delle molecole e producono sottoprodotti nocivi), i genetisti che lavorano con i batteri possono far loro assorbire i prodotti chimici, riordinando accuratamente gli atomi, e rilasciare il prodotto finale nel fluido circostante.
Gli ingegneri genetici hanno già programmato batteri per produrre proteine che vanno dall'ormone umano della crescita alla rennina, un enzima usato nella produzione del formaggio. La compagnia farmaceutica Eli Lilly (Indianapolis) sta commercializzando l'Humulin, molecole di insulina umana prodotta da batteri.