Nonostante la loro versatilità, le proteine presentano dei difetti come materiale di costruzione. Le macchine proteiche non funzionano più quando vengono essiccate, si congelano se raffreddate, e cuociono se scaldate: per questo non costruiamo macchine di carne, capelli e gelatina. Nel corso dei secoli abbiamo imparato a usare le nostre mani di carne e ossa per costruire macchine di legno, ceramica, acciaio, e plastica. Faremo allo stesso modo anche in futuro: useremo macchine proteiche per costruire nanomacchine di materiali più resistenti delle proteine.
Quando la nanotecnologia non dovrà più fare affidamento sulle proteine, diventerà più normale da un punto di vista ingegneristico. Le molecole saranno assemblate come un set di costruzione, e le parti ben legate rimarranno salde. Proprio come dei normali attrezzi possono costruire delle normali macchine, attrezzi molecolari potranno legare assieme le molecole per costruire minuscoli cuscinetti, motori ,leve e contenitori, e assemblarli per costruire macchine complesse.
Le parti contenenti solo pochi atomi avranno un aspetto "globulare", ma questo non sarà un problema se si potranno usare cuscinetti scorrevoli. Se necessario, alcuni legami tra atomi possono fare da cuscinetti; un pezzo può essere montato usando un singolo legame chimico che gli permetterà di girare liberamente e scorrevolmente. Poiché un cuscinetto può essere costruito usando solo due atomi (e poiché le parti mobili hanno bisogno solo di pochi atomi), le nanomacchine possono indubbiamente avere componenti meccanici di dimensione molecolare.
Come saranno costruite queste macchine migliori? Anno dopo anno, l'ingegneria ha usato la tecnologia per migliorare la tecnologia. Abbiamo usato utensili di metallo per creare migliori utensili di metallo, e computer per progettare e programmare migliori computer. Allo stesso modo useremo nanomacchine proteiche per costruire nanomacchine migliori. Gli enzimi mostrano la strada da seguire: essi assemblano grosse molecole "aggrappandosi" a molecole più piccole dall'acqua circostante, quindi tenendole assieme in modo che si formi un legame. Gli enzimi assemblano il DNA, l'RNA, proteine, grassi, ormoni e clorofilla in questo modo - difatti, virtualmente l'intero spettro di molecole presenti nella materia vivente.
I biochimici, quindi, costruiranno nuovi enzimi per assemblare nuove strutture atomiche. Ad esempio, potrebbero creare una sorta di enzima che aggiunga atomi di carbonio a un piccolo puntino, strato su strato. Se legati correttamente, gli atomi si disporranno a formare una sottile, flessibile fibra di diamanti che potrà avere una resistenza pari a 50 volte quella dell'alluminio, pur avendo lo stesso peso. Le compagnie aerospaziali si metteranno in fila per comprare questo tipo di fibre a tonnellate per produrne avanzati materiali compositi. (Questo mostra una piccola ragione per cui la competizione militare guiderà lo sviluppo della tecnologia molecolare, come ha fatto in molti campi nel passato.)
Ma il grande passo avanti verrà fatto quando le macchine proteiche saranno in grado di creare strutture più complesse delle semplici fibre. Queste macchine proteiche programmabili somiglieranno ai ribosomi programmati dall' RNA, o alla vecchia generazione di macchine automatiche programmate da nastri perforati. Esse apriranno un nuovo mondo di possibilità, permettendo agli ingegneri di superare le limitazioni delle proteine per costruire macchine robuste e compatte dal design semplice e lineare.
Le proteine prodotte artificialmente potranno dividere o unire le molecole come gli enzimi. Le proteine esistenti legano una quantità di molecole più piccole, usandole come "attrezzi" chimici; le nuove proteine useranno tutti questi attrezzi ed altri ancora.
Inoltre, i chimici organici hanno mostrato che le reazioni chimiche possono produrre risultati notevoli anche senza nanomacchine a guidare le molecole. I chimici non hanno nessun controllo diretto sul moto tumultuoso delle molecole in un liquido, e quindi le molecole sono libere di reagire in qualsiasi modo, a seconda di come si scontrano. Ciononostante i chimici "convincono" le molecole a reagire in modo da formare strutture regolari ,cubiche o dodecaedriche , e strane ( difficilmente immaginabili) strutture come anelli molecolari con legami molto forti. Le macchine molecolari avranno una ancora maggiore versatilità nel creare legami, poiché possono usare gli stessi movimenti molecolari, ma possono guidare questi movimenti in modi impossibili ai chimici.
Ovviamente, poiché i chimici non sono in grado di dirigere i movimenti molecolari, possono raramente assemblare molecole complesse secondo piani prestabiliti. Le più grandi molecole che possono costruire con specifiche, complesse strutture sono tutte catene lineari. I chimici formano queste strutture (come nella macchine genetiche) aggiungendo le molecole in sequenza, una alla volta, a una catena che si allunga via via. Con un solo sito possibile per catena in grado di formare un legame, possono essere sicuri di aggiungere il pezzo successivo al posto giusto.
Ma se una molecola tondeggiante, globulare ha (diciamo) un centinaio di atomi di idrogeno sulla sua superficie, come possono i chimici togliere proprio un atomo particolare (ad es. quello cinque in su e tre sopra la "protuberanza" sul davanti) per aggiungere qualcosa al suo posto? Mescolare semplicemente assieme dei prodotti chimici raramente funzionerà, poiché molecole piccole difficilmente possono selezionare dei siti particolari per reagire con una grande molecola. Ma le macchine proteiche saranno più selettive.
Una macchina proteica flessibile, programmabile, afferrerà la molecola grande (il pezzo da lavorare) tenendo su contro di essa la molecola piccola proprio al posto giusto. Come un enzima, legherà quindi le molecole insieme. Legando molecola su molecola al pezzo principale, la macchina assemblerà una struttura sempre più grande tenendo sotto completo controllo il modo in cui i suoi atomi vengono disposti. Questa è la capacità chiave che mancava ai chimici.
Come i ribosomi, queste nanomacchine potranno lavorare sotto la direzione di "cassette" molecolari. Diversamente dai ribosomi, esse maneggeranno un'ampia varietà di piccole molecole (non solo aminoacidi) e le uniranno alla molecola in lavorazione in qualsiasi posto si voglia, non solo alla fine di una catena. Le macchine proteiche combineranno quindi le capacità di dividere o unire le molecole degli enzimi con la programmabilità dei ribosomi. Ma mentre i ribosomi possono costruire solo le parti esterne (i ripiegamenti più ampi) di una proteina, queste macchine proteiche costruiranno piccoli, solidi oggetti di metallo, ceramica, o diamante - invisibilmente piccoli, ma robusti.
Quando le nostre dita di carne possono ferirsi o bruciarsi, usiamo pinze d'acciaio. Quando le macchine proteiche si potranno rompere o disintegrare, useremo nanomacchine di materiali più resistenti.