Ormoni ed enzimi aderiscono selettivamente ad altre molecole: un enzima modifica la struttura della sua molecola target e prosegue; un ormone, invece, agisce sul comportamento del suo target solo fino a quando rimangono legati. Enzimi ed ormoni possono essere descritti in termini meccanici, ma il loro comportamento è più spesso descritto dal punto di vista chimico.
Altre proteine sono utili a diverse basilari funzioni meccaniche. Alcune spingono e tirano, altre agiscono come corde o montanti, e parti di alcune molecole possono servire come cuscinetti. Il meccanismo muscolare, ad esempio, ha fasci di proteine che si distendono, afferrano una "corda" (fatta anch'essa di proteine), la tirano, quindi si ridistendono per far presa di nuovo; ogni volta che il nostro corpo si muove, si serve di queste macchine. Le amebe e le cellule umane, ad es., si spostano e cambiano forma utilizzando fibre e bastoncini che agiscono come muscoli e ossa. Un motore a velocità e direzione variabile guida i batteri attraverso l'acqua facendo vorticare un propulsore a forma di spirale. Se un hobbista potesse costruire piccolissime automobili intorno a questi motori, potremmo metterne in una tasca diversi miliardi di miliardi, autostrade da 150 corsie potrebbero essere costruite attraverso il più sottile capillare.
Semplici dispositivi molecolari possono formare sistemi simili a macchinari industriali. Nel 1950 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 creò un telaio che tesseva complessi disegni sotto il controllo di una serie di schede perforate. Ancora tre milioni di anni prima le cellule hanno sviluppato il meccanismo dei ribosomi. I ribosomi sono la prova che nanomacchine costituite di proteine e RNA possono essere programmate per costruire molecole complesse.
Consideriamo ora i virus. Un tipo, il T4 fago, si comporta come una siringa caricata a molla e somiglia a qualcosa venuta fuori da un catalogo di parti industriali. Può legarsi a un batterio, forarne la parete e iniettare DNA virale (sì, perfino i batteri patiscono infezioni!). Come un conquistatore si impossessa delle fabbriche per costruire più carri armati, questo DNA guida i ribosomi per costruire altro DNA virale. Al pari di tutti gli organismi, questi virus esistono perché sono abbastanza stabili e capaci di produrre copie di se stessi.
Che siano situate nelle cellule o meno, le nanomacchine obbediscono alle universali leggi della natura: ordinari legami chimici tengono assieme i loro atomi, e normali reazioni chimiche (guidate da altre nanomacchine) le assemblano. Le molecole proteiche possono perfino unirsi e formare macchine di scarsa utilità, guidate solo dall'agitazione termica e dalle forze chimiche. Mescolando proteine virali (e il DNA di cui hanno bisogno) all'interno di una provetta, i biologi molecolari hanno assemblato virus T4 funzionanti. Questa capacità è veramente sorprendente: immaginate di mettere pezzi di un'automobile in un grande scatolone, agitarlo, e trovare una macchina pronta quando ci guardate dentro! Eppure il virus T4 è solo una di molte strutture auto-assemblanti. I biologi molecolari hanno suddiviso i ribosomi in più di 50 diverse proteine e molecole di RNA, ricombinate poi in provetta a formare nuovamente ribosomi funzionanti.
Per capire come questo avviene, immaginate diverse catene di proteine del T4 fluttuanti nell'acqua. Ogni tipo si ripiega a formare un grumo con caratteristiche protuberanze e cavità, coperto da diversi pattern di oleosità, umidità e carica elettrica. Immaginatele vagabondare e rotolare, spinte dalla vibrazione termica delle circostanti molecole d'acqua: di tanto in tanto due si scontrano e rimbalzano via; a volte, invece, si scontrano e si incastrano, inserendo le parti convesse nelle cavità; quindi si aggregano con forza e rimangono fissate. In questo modo proteine si aggiungono ad altre proteine per costruire sezioni del virus, e le sezioni si assemblano per formare l'intero virus.
Gli ingegneri proteici non avranno bisogno di nano-braccia o nano-mani per assemblare complesse nano-macchine. Comunque, minuscoli manipolatori saranno utili e potranno essere costruiti. Come gli ingegneri costruiscono oggigiorno meccanismi complessi come braccia robotiche in grado di suonare un piano usando normali motori, cuscinetti, e parti mobili, così i biochimici del domani potranno usare molecole di proteine come motori, cuscinetti, e parti mobili di braccia robotiche in grado di manipolare singole molecole.