Молекулярный ассемблер

, Молекулярный ассемблер по определению К. Эрика Дрекслера , — это «предлагаемое устройство, способное управлять химическими реакциями путем позиционирования реактивных молекул с атомной точностью». Молекулярный ассемблер — это своего рода молекулярная машина . Некоторые биологические молекулы, такие как рибосомы, подходят под это определение. Это связано с тем, что они получают инструкции от информационной РНК , а затем собирают определенные последовательности аминокислот для построения белковых молекул. Однако термин «молекулярный ассемблер» обычно относится к теоретическим устройствам, созданным человеком.

Рибосома – это биологическая машина .

Начиная с 2007 года Британский исследовательский совет по инженерным и физическим наукам финансировал разработку рибосомоподобных молекулярных ассемблеров. Очевидно, что молекулярные ассемблеры возможны в этом ограниченном смысле. Проект технологической дорожной карты, возглавляемый Мемориальным институтом Баттель и организованный несколькими национальными лабораториями США, исследовал ряд технологий атомарно точного производства, включая как ранние, так и долгосрочные перспективы программируемой молекулярной сборки; отчет был опубликован в декабре 2007 года. В 2008 году Исследовательский совет инженерных и физических наук предоставил финансирование в размере 1,5 миллиона фунтов стерлингов на шесть лет (1 942 235,57 фунтов стерлингов, 2 693 808 долларов США в 2021 году). ) для исследований в области механизированного механосинтеза , в частности, в партнерстве с Институтом молекулярного производства.

Точно так же термин «молекулярный ассемблер» использовался в научной фантастике и популярной культуре для обозначения широкого спектра фантастических наномашин, манипулирующих атомами. Большая часть споров относительно «молекулярных ассемблеров» возникает из-за путаницы в использовании этого названия как для технических концепций, так и для популярных фантазий. В 1992 году Дрекслер ввел родственный, но более понятный термин «молекулярное производство», который он определил как запрограммированный « химический синтез сложных структур путем механического позиционирования реактивных молекул, а не путем манипулирования отдельными атомами».

В этой статье в основном обсуждаются «молекулярные ассемблеры» в популярном смысле этого слова. К ним относятся гипотетические машины, которые манипулируют отдельными атомами, а также машины, обладающие способностью самовоспроизводства , мобильностью, способностью потреблять пищу и так далее. Они сильно отличаются от устройств, которые просто (как определено выше) «направляют химические реакции, позиционируя реактивные молекулы с атомной точностью».

Поскольку синтетические молекулярные ассемблеры никогда не были созданы, а также из-за путаницы в отношении значения этого термина, возникло много споров относительно того, возможны ли «молекулярные ассемблеры» или это просто научная фантастика. Путаница и противоречия также возникают из-за их отнесения к нанотехнологиям , которые являются активной областью лабораторных исследований и уже применяются к производству реальных продуктов; однако до недавнего времени существовало никаких исследовательских усилий по фактическому созданию «молекулярных ассемблеров».

Тем не менее, в статье группы Дэвида Ли , опубликованной в 2013 году в журнале Science , подробно описан новый метод синтеза пептида с учетом последовательности с использованием искусственной молекулярной машины, управляемой молекулярной нитью. Это действует так же, как рибосома строит белки, собирая аминокислоты в соответствии с планом информационной РНК. В основе конструкции машины лежит ротаксан , который представляет собой молекулярное кольцо, скользящее по молекулярной оси. Кольцо несет тиолатную группу, которая последовательно удаляет аминокислоты с оси, перенося их к месту сборки пептида. В 2018 году та же группа опубликовала более продвинутую версию этой концепции, в которой молекулярное кольцо перемещается по полимерной дорожке, собирая олигопептид , может сворачиваться в α-спираль , которая может осуществлять энантиоселективное эпоксидирование производного халкона который (своего рода напоминает рибосому, собирающую фермент ). В другой статье, опубликованной в журнале Science в марте 2015 года, химики из Университета Иллинойса сообщают о платформе, которая автоматизирует синтез 14 классов малых молекул с тысячами совместимых строительных блоков.

В 2017 году группа Дэвида Ли сообщила о молекулярном роботе, которого можно запрограммировать на создание любого из четырех различных стереоизомеров молекулярного продукта, используя наномеханическую роботизированную руку для перемещения молекулярного субстрата между различными реакционными участками искусственной молекулярной машины. В сопроводительной статье News and Views под названием «Молекулярный ассемблер» описывается работа молекулярного робота как прототипа молекулярного ассемблера.

Нанофабрики

Нанофабрика наномашины — это предлагаемая система, в которой ( напоминающие молекулярные ассемблеры или промышленные роботы) будут объединять реактивные молекулы посредством механосинтеза для создания более крупных деталей с атомарной точностью. Они, в свою очередь, будут собираться с помощью механизмов позиционирования разных размеров для создания макроскопических (видимых), но все же атомарно точных продуктов.

Типичная нанофабрика уместилась бы в настольной коробке, согласно видению К. Эрика Дрекслера, опубликованному в книге «Наносистемы: молекулярное оборудование, производство и вычисления » (1992), известной работе « исследовательской инженерии ». В 1990-е годы другие расширили концепцию нанофабрики, включая анализ конвергентной сборки нанофабрики Ральфа Меркла , системный дизайн повторяющейся архитектуры нанофабрики Дж. Сторрса Холла , «Универсальный ассемблер» Форреста Бишопа , запатентованный процесс экспоненциальной сборки Zyvex. и системный проект высшего уровня для «примитивной нанофабрики» Криса Феникса (директора исследований Центра ответственных нанотехнологий). Все эти конструкции нанофабрик (и многие другие) обобщены в главе 4 книги «Кинематические самовоспроизводящиеся машины» (2004) Роберта Фрейтаса и Ральфа Меркла. Коллаборация «Нанофабрика», Основанная Фрейтасом и Меркле в 2000 году, это целенаправленная и постоянная работа с участием 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, которая разрабатывает программу практических исследований. специально направлен на позиционно-управляемый алмазный механосинтез и развитие алмазоидных нанофабрик.

В 2005 году Джон Берч в сотрудничестве с Дрекслером снял короткометражный анимационный фильм о концепции нанофабрики. Подобные видения стали предметом многочисленных дискуссий на нескольких интеллектуальных уровнях. Никто не обнаружил непреодолимой проблемы, связанной с лежащими в основе теориями, и никто не доказал, что теории можно применить на практике. Однако дебаты продолжаются, и некоторые из них суммированы в статье о молекулярных нанотехнологиях .

Если бы нанофабрики можно было построить, серьезный сбой в мировой экономике стал бы одним из многих возможных негативных последствий, хотя можно утверждать, что этот сбой не имел бы большого негативного эффекта, если бы такие нанофабрики были у всех. Ожидаются также большие выгоды. в различных произведениях научной фантастики Эти и подобные концепции исследуются . Потенциал таких устройств был частью масштабного британского исследования, проведенного профессором машиностроения Дамой Энн Даулинг .

Самовоспроизведение

«Молекулярных ассемблеров» путают с самовоспроизводящимися машинами. Чтобы произвести практическое количество желаемого продукта, наноразмер типичного научно-фантастического универсального молекулярного ассемблера требует чрезвычайно большого количества таких устройств. Однако один такой теоретический молекулярный ассемблер может быть запрограммирован на самовоспроизведение , создавая множество копий самого себя. Это позволит добиться экспоненциального темпа производства. Затем, после того как будет доступно достаточное количество молекулярных ассемблеров, их перепрограммируют для производства желаемого продукта. Однако, если бы самовоспроизведение молекулярных ассемблеров не было ограничено, это могло бы привести к конкуренции с естественными организмами. Это назвали экофагией или проблемой серой слизи .

Одним из методов создания молекулярных ассемблеров является имитация эволюционных процессов, используемых в биологических системах. Биологическая эволюция протекает путем случайных изменений в сочетании с отбраковкой менее успешных вариантов и воспроизводством более успешных вариантов. Производство сложных молекулярных ассемблеров могло бы развиться из более простых систем, поскольку « сложная работающая система неизменно оказывается эволюционировавшей из простой системы, которая работала... Сложная система, спроектированная с нуля, никогда не работает и ее нельзя исправить, чтобы сделать это работает. Вам придется начать все сначала, начиная с системы, которая работает». Однако большинство опубликованных рекомендаций по безопасности включают «рекомендации против разработки… конструкций репликаторов, которые позволяют пережить мутацию или подвергнуться эволюции».

В большинстве проектов ассемблера «исходный код» остается внешним по отношению к физическому ассемблеру. На каждом этапе производственного процесса этот шаг считывается из обычного компьютерного файла и «транслируется» всем сборщикам. Если какой-либо ассемблер выходит за пределы досягаемости этого компьютера, или когда связь между этим компьютером и ассемблерами разрывается, или когда этот компьютер отключается от сети, ассемблеры прекращают репликацию. Такая «широковещательная архитектура» является одной из мер безопасности, рекомендованных «Руководством по прогнозированию молекулярных нанотехнологий», и картой 137-мерного пространства проектирования репликатора. недавно опубликованная Фрейтасом и Мерклем, предлагает многочисленные практические методы, с помощью которых можно безопасно управлять репликаторами при правильном проектировании.

Дебаты Дрекслера и Смолли

Основная статья: Дебаты Дрекслера-Смэлли о молекулярных нанотехнологиях

Одним из наиболее ярых критиков некоторых концепций «молекулярных ассемблеров» был профессор Ричард Смолли (1943–2005), получивший Нобелевскую премию за вклад в область нанотехнологий . Смолли считал, что такие ассемблеры физически невозможны, и выдвигал против них научные возражения. Два его основных технических возражения были названы «проблемой толстых пальцев» и «проблемой липких пальцев». Он считал, что это исключит возможность создания «молекулярных ассемблеров», которые работали бы путем точного сбора и размещения отдельных атомов. Дрекслер и его коллеги ответили на эти два вопроса в публикации 2001 года.

Смолли также считал, что предположения Дрекслера об апокалиптической опасности самовоспроизводящихся машин, которые приравнивались к «молекулярным ассемблерам», поставят под угрозу общественную поддержку развития нанотехнологий. Чтобы разрешить спор между Дрекслером и Смолли относительно молекулярных ассемблеров, журнал Chemical & Engineering News опубликовал контрапункт, состоящий из обмена письмами, в которых рассматривались эти проблемы.

Регулирование

Спекуляции о возможностях систем, получивших название «молекулярные ассемблеры», вызвали более широкую политическую дискуссию о значении нанотехнологий. Частично это связано с тем, что нанотехнология — это очень широкий термин, который может включать в себя «молекулярные ассемблеры». Обсуждение возможных последствий фантастических молекулярных ассемблеров вызвало призывы к регулированию нынешних и будущих нанотехнологий. Существуют вполне реальные опасения по поводу потенциального воздействия на здоровье и экологию нанотехнологий, которые внедряются в производимую продукцию. Гринпис , например, заказал отчет о нанотехнологиях, в котором они выражают обеспокоенность по поводу токсичности наноматериалов, попавших в окружающую среду. Однако он лишь вскользь упоминает «ассемблерную» технологию. Великобритании Королевское общество и Королевская инженерная академия также заказали доклад под названием «Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности». относительно более широких социальных и экологических последствий нанотехнологий. В этом отчете не обсуждается угроза, исходящая от потенциальных так называемых «молекулярных ассемблеров».

Официальный научный обзор

В 2006 году Национальная академия наук США опубликовала отчет об исследовании молекулярного производства (а не молекулярных ассемблеров как таковых) как часть более обширного отчета « Вопрос размера: трехлетний обзор Национальной нанотехнологической инициативы». Исследовательский комитет рассмотрел техническое содержание « Наносистем» и в своем заключении заявил, что ни один текущий теоретический анализ не может считаться окончательным в отношении некоторых вопросов потенциальной производительности системы, и что оптимальные пути внедрения высокопроизводительных систем не могут быть предсказаны с уверенностью. Он рекомендует финансировать экспериментальные исследования для проведения экспериментальных демонстраций в этой области:

«Хотя теоретические расчеты могут быть сделаны сегодня, в конечном итоге достижимый диапазон циклов химических реакций, уровень ошибок, скорость работы и термодинамическую эффективность таких восходящих производственных систем в настоящее время невозможно надежно предсказать. Таким образом, в конечном итоге достижимое совершенство и сложность производимой продукции, хотя ее можно рассчитать теоретически, невозможно предсказать с уверенностью. Наконец, оптимальные пути исследований, которые могут привести к созданию систем, которые значительно превосходят термодинамическую эффективность в настоящее время невозможно надежно предсказать и другие возможности биологических систем. Финансирование исследований, основанное на способности исследователей проводить экспериментальные демонстрации, которые связаны с абстрактными моделями и определяют долгосрочное видение, является наиболее подходящим для достижения этой цели».

Серая слизь

Основная статья: Серая слизь

Один из потенциальных сценариев, который предполагался, — это вышедшие из-под контроля самовоспроизводящиеся молекулярные ассемблеры в форме серой слизи , которая потребляет углерод для продолжения своей репликации. Если не остановить такую ​​механическую репликацию, она потенциально может уничтожить целые экорегионы или всю Землю ( экофагия ), или она может просто вытеснить естественные формы жизни за необходимые ресурсы, такие как углерод , АТФ или УФ- свет (на котором работают некоторые примеры наномоторов ). Однако сценарии экофагии и «серой слизи», как и синтетические молекулярные ассемблеры, основаны на пока еще гипотетических технологиях, которые еще не были продемонстрированы экспериментально.

См. также

• Нанотехнологии
• Молекулярная машина
• Биоэтика
• Биобезопасность
• Биобезопасность
• Биотехнология
• Экоцид
• Экофагия
• Машина Деда Мороза
• 3D-печать
• Нанотехнологии в художественной литературе

Внешние ссылки

• Molecular Dynamics Studio (2016) бесплатная многомасштабная программа моделирования и симуляции с открытым исходным кодом для нанокомпозитов со специальной поддержкой нанотехнологий структурной ДНК (первоначально Nanoengineer-1 от Nanorex)
• Nano-Hive: Nanospace Simulator (2006) бесплатное программное обеспечение для моделирования нанотехнологических объектов.
• Рекомендации по прогнозированию ответственного развития нанотехнологий (2006 г.) технологий молекулярного производства
• Центр ответственных нанотехнологий (2008 г.)
• Веб-сайт молекулярного ассемблера (2008 г.)
• Ярость против (зеленой) машины (2003) в Wired
• Правительство запускает наноисследование UK EducationGuardian, 11 июня 2003 г.
• Разгадка больших дебатов по поводу маленьких машин (2004) с сайта BetterHumans.com
• Соображения дизайна для ассемблера (1995) Ральфа Меркла
• Кинематические самовоспроизводящиеся машины - техническая онлайн-книга: первый комплексный обзор молекулярных ассемблеров (2004 г.), проведенный Робертом Фрейтасом и Ральфом Мерклем.
• Проект примитивной нанофабрики (2003)
• Видео - Нанофабрика в действии (2006)
• Нанофабрика технологии
• Обзор молекулярного производства
• Интегрированные наносистемы для производства атомарной точности — Семинар Министерства энергетики США — 5–6 августа 2015 г.