Asembler molekularny

Część serii artykułów na temat
nanotechnologii molekularnej

Asembler molekularny , zgodnie z definicją K. Erica Drexlera , to „proponowane urządzenie zdolne do kierowania reakcjami chemicznymi poprzez pozycjonowanie reaktywnych cząsteczek z atomową precyzją”. Asembler molekularny jest rodzajem maszyny molekularnej . Niektóre cząsteczki biologiczne, takie jak rybosomy , pasują do tej definicji. Dzieje się tak, ponieważ otrzymują instrukcje od informacyjnego RNA , a następnie składają określone sekwencje aminokwasów w celu skonstruowania białka Cząsteczki. Jednak termin „asembler molekularny” zwykle odnosi się do teoretycznych urządzeń wykonanych przez człowieka.

Rybosom to biologiczna maszyna .

Począwszy od 2007 r. Brytyjska Rada Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi finansuje rozwój asemblerów molekularnych podobnych do rybosomów . Oczywiście asemblery molekularne są możliwe w tym ograniczonym sensie. W ramach projektu mapy drogowej technologii, prowadzonego przez Battelle Memorial Institute i prowadzonego przez kilka amerykańskich laboratoriów krajowych, zbadano szereg atomowo precyzyjnych technologii wytwarzania, w tym zarówno wczesną generację, jak i długoterminowe perspektywy programowalnego składania molekularnego; raport został opublikowany w grudniu 2007 r. W 2008 r. Rada Badań nad Inżynierią i Naukami Fizycznymi zapewniła finansowanie w wysokości 1,5 miliona funtów w ciągu sześciu lat (1 942 235,57 GBP, 2 693 808,00 USD w 2021 r.) na badania zmierzające do zmechanizowania mechanosyntezy , we współpracy między innymi z Instytutem Produkcji Molekularnej.

Podobnie termin „asembler molekularny” był używany w science fiction i kulturze popularnej w odniesieniu do szerokiej gamy fantastycznych nanomaszyn manipulujących atomami. Wiele kontrowersji dotyczących „asemblerów molekularnych” wynika z zamieszania w używaniu nazwy zarówno dla koncepcji technicznych, jak i popularnych fantazji. W 1992 roku Drexler wprowadził pokrewny, ale lepiej rozumiany termin „produkcja molekularna”, który zdefiniował jako zaprogramowaną „ syntezę chemiczną złożonych struktur poprzez mechaniczne pozycjonowanie reaktywnych cząsteczek, a nie manipulowanie pojedynczymi atomami”.

W tym artykule omówiono głównie „asemblery molekularne” w popularnym tego słowa znaczeniu. Należą do nich hipotetyczne maszyny, które manipulują pojedynczymi atomami i maszyny z podobnymi do organizmów do samoreplikacji , mobilnością, zdolnością do spożywania pożywienia i tak dalej. Różnią się one zupełnie od urządzeń, które jedynie (jak zdefiniowano powyżej) „kierują reakcjami chemicznymi poprzez pozycjonowanie reaktywnych cząsteczek z atomową precyzją”.

Ponieważ syntetyczne asemblery molekularne nigdy nie zostały skonstruowane i z powodu zamieszania co do znaczenia tego terminu, pojawiło się wiele kontrowersji co do tego, czy „asemblery molekularne” są możliwe, czy po prostu science fiction. Zamieszanie i kontrowersje wynikają również z ich klasyfikacji jako nanotechnologii , która jest aktywnym obszarem badań laboratoryjnych, który został już zastosowany do produkcji rzeczywistych produktów; jednak do niedawna istniało [ kiedy? ] żadnych wysiłków badawczych nad faktyczną budową "asemblerów molekularnych".

Niemniej jednak artykuł grupy Davida Leigh z 2013 roku , opublikowany w czasopiśmie Science , szczegółowo opisuje nową metodę syntezy peptydu w sposób specyficzny dla sekwencji przy użyciu sztucznej maszyny molekularnej, która jest kierowana przez nić molekularną. Działa to w taki sam sposób, jak rybosom budujący białka poprzez składanie aminokwasów zgodnie ze schematem informacyjnym RNA. Budowa maszyny oparta jest na rotaksanie , który jest pierścieniem molekularnym przesuwającym się po osi molekularnej. Pierścień zawiera tiolan grupa, która kolejno usuwa aminokwasy z osi, przenosząc je do miejsca składania peptydu. W 2018 roku ta sama grupa opublikowała bardziej zaawansowaną wersję tej koncepcji, w której pierścień molekularny porusza się po polimerowej ścieżce, tworząc oligopeptyd, który może zwijać się w α-helisę , która może przeprowadzać enancjoselektywną epoksydację pochodnej chalkonu (w pewnym sensie przypominający rybosom składający enzym ). W innym artykule opublikowanym w Science w marcu 2015 r., chemicy z University of Illinois informuje o platformie, która automatyzuje syntezę 14 klas małych cząsteczek , z tysiącami kompatybilnych bloków budulcowych.

W 2017 roku grupa Davida Leigha zgłosiła robota molekularnego, którego można zaprogramować do konstruowania dowolnego z czterech różnych stereoizomerów produktu molekularnego za pomocą nanomechanicznego ramienia robota do przemieszczania substratu molekularnego między różnymi miejscami reaktywnymi sztucznej maszyny molekularnej. Towarzyszący artykuł News and Views, zatytułowany „Molekularny asembler”, nakreślił działanie robota molekularnego jako efektywnego prototypowego asemblera molekularnego.

Nanofabryki

Nanofabryka to proponowany system, w którym nanomaszyny (przypominające asemblery molekularne lub ramiona robotów przemysłowych) łączyłyby reaktywne cząsteczki poprzez mechanosyntezę , aby budować większe części o atomowej precyzji. Te z kolei byłyby montowane za pomocą mechanizmów pozycjonujących o różnych rozmiarach w celu zbudowania makroskopowych (widocznych), ale wciąż atomowo precyzyjnych produktów.

Typowa nanofabryka zmieściłaby się w pudełku na biurko, zgodnie z wizją K. Erica Drexlera opublikowaną w Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992), godnym uwagi dziele „ inżynierii eksploracyjnej ”. W latach 90. inni rozszerzyli koncepcję nanofabryki, w tym analizę konwergentnego montażu nanofabryki autorstwa Ralpha Merkle , projekt systemów replikującej architektury nanofabryki autorstwa J. Storrs Hall , „Universal Assembler” Forresta Bishopa , opatentowany proces montażu wykładniczego firmy Zyvex oraz projekt systemów najwyższego poziomu dla „prymitywnej nanofabryki” autorstwa Chrisa Phoenixa (dyrektora ds. badań w Centrum Odpowiedzialnej Nanotechnologii). Wszystkie te projekty nanofabryk (i nie tylko) podsumowano w rozdziale 4 książki Kinematic Self-Replicating Machines (2004) autorstwa Roberta Freitasa i Ralpha Merkle. The Nanofactory Collaboration, założona przez Freitasa i Merkle w 2000 roku, jest ukierunkowanym, ciągłym wysiłkiem z udziałem 23 naukowców z 10 organizacji i 4 krajów, który rozwija praktyczny program badań ukierunkowany konkretnie na pozycyjnie kontrolowaną mechanosyntezę diamentów i rozwój nanofabryki diamentoidów .

W 2005 roku John Burch we współpracy z Drexlerem wyprodukował animowany komputerowo film krótkometrażowy przedstawiający koncepcję nanofabryki. Takie wizje były przedmiotem wielu dyskusji na kilku poziomach intelektualnych. Nikt nie odkrył problemu nie do pokonania w leżących u jego podstaw teoriach i nikt nie udowodnił, że teorie można przełożyć na praktykę. Jednak debata trwa nadal, a niektóre z nich zostały podsumowane w nanotechnologii molekularnej .

Gdyby można było zbudować nanofabryki, poważne zakłócenia w gospodarce światowej byłyby jednym z wielu możliwych negatywnych skutków, chociaż można argumentować, że to zakłócenie miałoby niewielki negatywny wpływ, gdyby wszyscy mieli takie nanofabryki. Oczekiwano by również wielkich korzyści. Różne dzieła science fiction badały te i podobne koncepcje. Potencjał takich urządzeń był częścią dużego brytyjskiego badania prowadzonego przez inżynierii mechanicznej Dame Ann Dowling .

Samoreplikacja

„Asemblery molekularne” mylono z samoreplikującymi się maszynami. Aby wyprodukować praktyczną ilość pożądanego produktu, nanoskalowy rozmiar typowego uniwersalnego asemblera molekularnego science fiction wymaga niezwykle dużej liczby takich urządzeń. Jednak pojedynczy taki teoretyczny asembler molekularny może zostać zaprogramowany do samoreplikacji , konstruując wiele swoich kopii. Pozwoliłoby to na wykładnicze tempo produkcji. Następnie, gdy dostępne byłyby wystarczające ilości asemblerów molekularnych, byłyby one następnie przeprogramowywane do produkcji pożądanego produktu. Jeśli jednak samoreplikacja asemblerów molekularnych nie byłaby ograniczana, mogłoby to prowadzić do konkurencji z naturalnie występującymi organizmami. Nazywa się to ekofagią lub problemem szarej mazi .

Jedną z metod budowania asemblerów molekularnych jest naśladowanie procesów ewolucyjnych stosowanych przez systemy biologiczne. Ewolucja biologiczna przebiega przez losową zmienność połączoną z ubojem mniej udanych wariantów i reprodukcją bardziej udanych wariantów. Produkcja złożonych asemblerów molekularnych może wyewoluować z prostszych systemów, ponieważ „ Złożony system niezmiennie okazuje się, że system, który działa, wyewoluował z prostego systemu, który działał. . . . Złożony system zaprojektowany od podstaw nigdy nie działa i nie można go załatać, aby działał. Musisz zacząć od nowa, zaczynając od systemu, który działa. ”Jednak większość opublikowanych wytycznych dotyczących bezpieczeństwa zawiera „zalecenia przeciwko opracowywaniu… projektów replikatorów, które pozwalają na przetrwanie mutacji lub ewolucję”.

Większość projektów asemblera utrzymuje „kod źródłowy” poza fizycznym asemblerem. Na każdym etapie procesu produkcyjnego ten krok jest odczytywany ze zwykłego pliku komputerowego i „rozgłaszany” do wszystkich monterów. Jeśli jakikolwiek asembler znajdzie się poza zasięgiem tego komputera lub gdy połączenie między tym komputerem a asemblerami zostanie zerwane lub gdy ten komputer zostanie odłączony, asemblery przestaną się replikować. Taka „architektura rozgłoszeniowa” jest jedną z cech bezpieczeństwa zalecanych przez „Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology”, a mapa 137-wymiarowej przestrzeni projektowej replikatorów, opublikowana niedawno przez Freitas i Merkle, dostarcza wielu praktycznych metod, dzięki którym replikatory mogą być bezpiecznie kontrolowane przez dobry projekt.

Debata Drexlera i Smalleya

Główny artykuł: Debata Drexlera-Smalleya na temat nanotechnologii molekularnej

Jednym z najbardziej zagorzałych krytyków niektórych koncepcji „asemblerów molekularnych” był profesor Richard Smalley (1943–2005), który zdobył nagrodę Nobla za wkład w dziedzinie nanotechnologii . Smalley uważał, że takie asemblery nie są fizycznie możliwe i przedstawił im naukowe zastrzeżenia. Jego dwa główne zastrzeżenia techniczne nazwano „problemem grubych palców” i „problemem lepkich palców”. Uważał, że wykluczyłoby to możliwość „monterów molekularnych”, które działały na zasadzie precyzyjnego wybierania i umieszczania pojedynczych atomów. Drexler i współpracownicy odpowiedzieli na te dwie kwestie w publikacji z 2001 roku.

Smalley uważał również, że spekulacje Drexlera na temat apokaliptycznych niebezpieczeństw samoreplikujących się maszyn, które utożsamiano z „asemblerami molekularnymi”, zagroziłyby społecznemu poparciu dla rozwoju nanotechnologii. Aby odnieść się do debaty między Drexlerem i Smalleyem dotyczącej asemblerów molekularnych Chemical & Engineering News opublikował kontrapunkt polegający na wymianie listów, które dotyczyły tych problemów.

Rozporządzenie

Spekulacje na temat mocy systemów, które zostały nazwane „asemblerami molekularnymi”, wywołały szerszą polityczną dyskusję na temat implikacji nanotechnologii. Wynika to po części z faktu, że nanotechnologia jest pojęciem bardzo szerokim i może obejmować „asemblery molekularne”. Dyskusja na temat możliwych implikacji fantastycznych asemblerów molekularnych wywołała wezwania do uregulowania obecnej i przyszłej nanotechnologii. Istnieją bardzo realne obawy co do potencjalnego wpływu nanotechnologii na zdrowie i środowisko, która jest integrowana z wytwarzanymi produktami. Zielony pokój na przykład zlecili sporządzenie raportu dotyczącego nanotechnologii, w którym wyrażają zaniepokojenie toksycznością nanomateriałów wprowadzonych do środowiska. Jednak zawiera tylko przelotne odniesienia do technologii „asemblera”. Brytyjskie Towarzystwo Królewskie i Królewska Akademia Inżynierii zleciły również sporządzenie raportu zatytułowanego „Nanonauka i nanotechnologie: szanse i niepewności” dotyczącego szerszych społecznych i ekologicznych implikacji nanotechnologii. Niniejszy raport nie omawia zagrożenia stwarzanego przez potencjalnych tak zwanych "asemblerów molekularnych".

Formalny przegląd naukowy

W 2006 roku Amerykańska Narodowa Akademia Nauk opublikowała raport z badań nad produkcją molekularną jako część dłuższego raportu A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative . konkluzja stwierdza, że ​​żadna obecna analiza teoretyczna nie może być uznana za ostateczną w odniesieniu do kilku kwestii potencjalnej wydajności systemu i że nie można z pewnością przewidzieć optymalnych ścieżek wdrażania systemów o wysokiej wydajności. Zaleca badania eksperymentalne w celu pogłębienia wiedzy w tej dziedzinie:

„Chociaż obliczenia teoretyczne można wykonać dzisiaj, nie można wiarygodnie przewidzieć ostatecznie osiągalnego zakresu cykli reakcji chemicznych, współczynników błędów, szybkości działania i wydajności termodynamicznej takich oddolnych systemów produkcyjnych. Zatem ostatecznie osiągalna doskonałość i złożoności wytwarzanych produktów, choć teoretycznie można je obliczyć, nie można z pewnością przewidzieć. Wreszcie, optymalne ścieżki badawcze, które mogą prowadzić do układów znacznie przekraczających sprawności termodynamiczne i innych możliwości systemów biologicznych nie można obecnie wiarygodnie przewidzieć. Finansowanie badań, które opiera się na zdolności badaczy do tworzenia eksperymentalnych demonstracji, które łączą się z abstrakcyjnymi modelami i kierują długoterminową wizją, jest najbardziej odpowiednie do osiągnięcia tego celu”.

Szara maź

Główny artykuł: Szara maź

Jednym z przewidywanych scenariuszy są wymykające się spod kontroli, samoreplikujące się asemblery molekularne w postaci szarej mazi , która zużywa węgiel, aby kontynuować replikację. Jeśli nie zostanie zaznaczona, taka mechaniczna replikacja może potencjalnie pochłonąć całe ekoregiony lub całą Ziemię ( ekofagia ) lub może po prostu konkurować z naturalnymi formami życia o niezbędne zasoby, takie jak węgiel , ATP lub światło UV ( na którym działają niektóre przykłady nanomotorów ). Jednak ekofagia a scenariusze „szarej mazi”, takie jak syntetyczne asemblery molekularne, opierają się na wciąż hipotetycznych technologiach, których jeszcze nie zademonstrowano eksperymentalnie.

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrane z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Molecular_assembler&oldid=1138275346 ”