Asembler molekularny - Molecular assembler

Część serii artykułów na temat

Nanotechnologia molekularna

Asembler molekularny , zgodnie z definicją K. Erica Drexlera , jest "proponowanym urządzeniem zdolnym 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, aby skonstruować cząsteczki białka . Jednak termin „asembler molekularny” zwykle odnosi się do teoretycznych urządzeń stworzonych przez człowieka.

Rybosom jest biologiczną maszyną .

Począwszy od 2007 roku, British Engineering and Physical Sciences Research Council sfinansowała rozwój podobnych do rybosomów assemblerów molekularnych. Oczywiście asemblery molekularne są możliwe w tym ograniczonym sensie. Projekt mapy drogowej technologii, prowadzony przez Battelle Memorial Institute i prowadzony przez kilka amerykańskich laboratoriów krajowych , zbadał szereg atomowo precyzyjnych technologii wytwarzania, w tym zarówno wczesne, jak i długoterminowe perspektywy programowalnego montażu molekularnego; raport został opublikowany w grudniu 2007 roku. W 2008 roku, Engineering and Physical Sciences Research Council zapewniła finansowanie w wysokości 1,5 miliona funtów w ciągu sześciu lat (1 942 235,57 funtów, 2 693 808,00 dolarów w 2021 roku) na badania nad zmechanizowaną mechanosyntezą we współpracy z Instytutem Molekularnym Produkcja m.in.

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

Ten artykuł dotyczy głównie "asemblerów molekularnych" w popularnym znaczeniu. Należą do nich hipotetyczne maszyny, które manipulują pojedynczymi atomami i maszyny o zdolnościach samoreplikacji podobnych do organizmów , mobilności, zdolności do spożywania żywności i tak dalej. Różnią się one 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 oraz z powodu zamieszania dotyczącego 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 wytwarzania rzeczywistych produktów; jednakże do niedawna nie było żadnych badań nad faktyczną konstrukcją „asemblerów molekularnych”.

Niemniej jednak artykuł grupy Davida Leigh z 2013 r. , opublikowany w czasopiśmie Science , szczegółowo opisuje nową metodę syntezy peptydu w sposób specyficzny dla sekwencji przy użyciu sztucznej maszyny molekularnej kierowanej przez nić molekularną. Działa to w taki sam sposób, jak białka budujące rybosomy, łącząc aminokwasy zgodnie z planem informacyjnego RNA. Konstrukcja maszyny oparta jest na rotaksanie , który jest pierścieniem molekularnym ślizgającym się wzdłuż osi molekularnej. Pierścień niesie grupę tiolanową , która sekwencyjnie usuwa aminokwasy z osi, przenosząc je do miejsca montażu peptydów. W 2018 roku, ta sama grupa opublikowała bardziej zaawansowaną wersję tej koncepcji, w którym przenośniki pierścień cząsteczkowych wzdłuż polimerowego toru na skonstruowanie oligopeptydu , którą można składać się z a-helisy , które może wykonywać enancjoselektywnego epoksydowania o chalkonu pochodną (w sposób przypominający rybosom gromadzący enzym ). W innym artykule opublikowanym w Science w marcu 2015 r. chemicy z University of Illinois donoszą o platformie, która automatyzuje syntezę 14 klas małych cząsteczek , z tysiącami kompatybilnych bloków budulcowych.

W 2017 roku grupa Davida Leigh doniosła o robocie molekularnym, którego można zaprogramować do konstruowania jednego z czterech różnych stereoizomerów produktu molekularnego za pomocą nanomechanicznego ramienia robota do przemieszczania substratu molekularnego między różnymi reaktywnymi miejscami sztucznej maszyny molekularnej. Towarzyszący artykułowi News and Views, zatytułowany "Assembler molekularny", nakreślono działanie robota molekularnego jako efektywnego prototypowego asemblera molekularnego.

Nanofabryki

Nanofactory to zaproponowano system, w którym Nanomaszyny (przypominające monterów molekularnym albo ramiona robotów przemysłowych) łączyłby reaktywne cząsteczki poprzez mechanosynthesis do budowy większych atomowo precyzyjnych części. Te z kolei byłyby montowane za pomocą mechanizmów pozycjonujących o różnych rozmiarach, aby tworzyć produkty makroskopowe (widoczne), ale nadal atomowo precyzyjne.

Typowa nanofabryka zmieściłaby się w pudełku, zgodnie z wizją K. Erica Drexlera opublikowaną w Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992), wybitnym dziele „ inżynierii eksploracyjnej ”. W latach dziewięćdziesiątych inni rozszerzyli koncepcję nanofabryk, w tym analizę zbieżnego montażu nanofabryk autorstwa Ralpha Merkle'a , projekt systemu replikacji architektury nanofabryk przez J. Storrs Hall , „Universal Assembler” Forresta Bishopa , opatentowany proces montażu wykładniczego autorstwa 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) zostały podsumowane w rozdziale 4 książki Kinematic Self-Replicating Machines (2004) autorstwa Roberta Freitasa i Ralpha Merkle'a. The Nanofactory Collaboration, założone przez Freitas i Merkle w 2000 roku, to skoncentrowany, ciągły wysiłek angażujący 23 badaczy z 10 organizacji i 4 krajów, który opracowuje praktyczny program badawczy specjalnie ukierunkowany na kontrolowaną pozycyjnie mechanosyntezę diamentów i rozwój nanofabryk diamentów.

W 2005 roku , we współpracy z Drexlerem, John Burch wyprodukował animowany komputerowo krótki film przedstawiający koncepcję nanofabryki. Takie wizje były przedmiotem wielu debat na kilku poziomach intelektualnych. Nikt nie odkrył nie do pokonania problemu z podstawowymi teoriami i nikt nie udowodnił, że teorie te można przełożyć na praktykę. Jednak debata trwa, a niektóre z nich podsumowano w artykule o nanotechnologii molekularnej .

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

Samoreplikacja

„Asemblery molekularne” mylono z samoreplikującymi się maszynami. Aby wytworzyć praktyczną ilość pożądanego produktu, rozmiar nanoskali typowego uniwersalnego urządzenia do asemblera science fiction wymaga niezwykle dużej liczby takich urządzeń. Jednak jeden taki teoretyczny asembler molekularny może być zaprogramowany do samoreplikacji , konstruując wiele kopii samego siebie. Pozwoliłoby to na wykładnicze tempo produkcji. Następnie, po udostępnieniu wystarczających ilości asemblerów molekularnych, zostaną one przeprogramowane do produkcji pożądanego produktu. Jednakże, jeśli nie ograniczono samoreplikacji asemblerów molekularnych, może 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, który działa, niezmiennie okazuje się, że wyewoluował z prostego systemu, który działał… Złożony system zaprojektowany od podstaw nigdy nie działa i nie można go załatać w celu stworzenia to działa. Musisz zacząć od nowa, zaczynając od systemu, który działa”. Jednak większość opublikowanych wytycznych dotyczących bezpieczeństwa zawiera „zalecenia dotyczące opracowywania ... projektów replikatorów, które umożliwiają przeżycie mutacji lub przechodzenie ewolucji”.

Większość projektów asemblera utrzymuje "kod źródłowy" na zewnątrz fizycznego asemblera. Na każdym etapie procesu produkcyjnego, krok ten jest odczytywany ze zwykłego pliku komputerowego i „transmitowany” do wszystkich monterów. Jeśli jakikolwiek asembler znajdzie się poza zasięgiem tego komputera, lub gdy łącze między tym komputerem a asemblerami jest zerwane, lub gdy ten komputer jest odłączony, asemblery przestają się replikować. Taka „architektura rozgłoszeniowa” jest jedną z funkcji bezpieczeństwa zalecanych przez „Wytyczne Foresight dotyczące nanotechnologii molekularnej”, 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 Drexler i Smalley

Główny artykuł: Debata Drexler-Smalley na temat nanotechnologii molekularnej

Jednym z najbardziej zagorzałych krytyków niektórych koncepcji „asemblerów molekularnych” był profesor Richard Smalley (1943–2005), który otrzymał nagrodę Nobla za wkład w dziedzinę 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 wyklucza to możliwość „asemblerów molekularnych”, które działają poprzez precyzyjne wybieranie i umieszczanie pojedynczych atomów. Drexler i współpracownicy odpowiedzieli na te dwa problemy w publikacji z 2001 roku.

Smalley uważał również, że spekulacje Drexlera na temat apokaliptycznych niebezpieczeństw związanych z samoreplikującymi się maszynami, które zostały zrównane z „asemblerami molekularnymi”, zagroziłyby publicznemu poparciu dla rozwoju nanotechnologii. Aby odpowiedzieć na debatę między Drexlerem i Smalleyem dotyczącą asemblerów molekularnych, Chemical & Engineering News opublikował kontrpunkt polegający na wymianie listów, które dotyczyły problemów.

Rozporządzenie

Spekulacje na temat mocy systemów, które nazwano „asemblerami molekularnymi”, wywołały szerszą dyskusję polityczną na temat implikacji nanotechnologii. Wynika to częściowo z faktu, że nanotechnologia jest bardzo szerokim terminem i może obejmować „asemblery molekularne”. Dyskusja na temat możliwych implikacji fantastycznych asemblerów molekularnych wywołała apele o uregulowanie obecnej i przyszłej nanotechnologii. Istnieją bardzo realne obawy dotyczące potencjalnego wpływu nanotechnologii na zdrowie i środowisko, która jest wykorzystywana w wytwarzanych produktach. Greenpeace zlecił na przykład raport dotyczący nanotechnologii, w którym wyrażają zaniepokojenie toksycznością nanomateriałów wprowadzonych do środowiska. Jednak zawiera tylko odniesienia do technologii „asemblera”. Brytyjskie Towarzystwo Królewskie i Królewska Akademia Inżynieryjna zleciły również opracowanie raportu zatytułowanego „Nanonauka i nanotechnologie: możliwości i niepewności” dotyczące szerszych społecznych i ekologicznych implikacji nanotechnologii. Niniejszy raport nie omawia zagrożenia stwarzanego przez potencjalnych tak zwanych „asemblerów molekularnych”.

Formalna recenzja naukowa

W 2006 roku US National Academy of Sciences wydała raport z badań nad produkcją molekularnej jako część dłuższego raportu, A Matter of Size: Triennale Przegląd Narodowej Inicjatywy Nanotechnologii komisja badania dokonano przeglądu treści technicznej nanosystemów , aw jego Wniosek stwierdza, że ​​żadna aktualna analiza teoretyczna nie może być uznana za ostateczną w odniesieniu do kilku pytań dotyczących potencjalnej wydajności systemu i że nie można z pewnością przewidzieć optymalnych ścieżek wdrażania systemów o wysokiej wydajności. Zaleca badania eksperymentalne w celu poszerzenia wiedzy w tej dziedzinie:

„Chociaż obliczenia teoretyczne można wykonać dzisiaj, ostatecznie osiągalny zakres cykli reakcji chemicznych, wskaźniki błędów, szybkość działania i wydajność termodynamiczna takich oddolnych systemów produkcyjnych nie mogą być obecnie wiarygodnie przewidziane. Zatem ostatecznie osiągalna doskonałość i złożoności wytwarzanych produktów, chociaż można je obliczyć w teorii, nie można przewidzieć z pewnością, a optymalne ścieżki badawcze, które mogą prowadzić do systemów znacznie przekraczających wydajności termodynamiczne i inne możliwości systemów biologicznych, nie mogą być obecnie wiarygodnie przewidziane. Do osiągnięcia tego celu najbardziej odpowiednie jest finansowanie badań, które opiera się na zdolności badaczy do tworzenia eksperymentalnych demonstracji, które łączą się z abstrakcyjnymi modelami i ukierunkowują długofalową wizję”.

Szara masa

Główny artykuł: Szara maź

Jednym z potencjalnych scenariuszy, który przewidziano, są wymykające się spod kontroli samoreplikujące się assemblery molekularne w postaci szarej mazi, która zużywa węgiel do kontynuowania replikacji. Jeśli nie jest kontrolowana, taka mechaniczna replikacja może potencjalnie pochłaniać całe ekoregiony lub całą Ziemię ( ekofagia ) lub po prostu konkurować z naturalnymi formami życia o niezbędne zasoby, takie jak węgiel , ATP lub światło UV (na którym działają niektóre przykłady nanomotorów ). Jednak scenariusze ekofagii i „szarej mazi ”, takie jak syntetyczne asemblery molekularne, opierają się na wciąż hipotetycznych technologiach, które nie zostały jeszcze zademonstrowane eksperymentalnie.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki