Молекулярный ассемблер

, Молекулярный ассемблер определяемый К. Эриком Дрекслером , представляет собой «предлагаемое устройство, способное направлять химические реакции путем позиционирования реактивных молекул с атомной точностью». Молекулярный ассемблер является своего рода молекулярной машиной . Некоторые биологические молекулы, такие как рибосомы, соответствуют этому определению. Это связано с тем, что они получают инструкции от Мессенджер РНК , а затем собирают специфические последовательности аминокислот для построения молекул белка . Тем не менее, термин «молекулярный ассемблер» обычно относится к теоретическим человеческим устройствам.

Рибосома - это биологическая машина .

Начиная с 2007 года, Британский исследовательский совет по инженерным и физическим наукам финансировал развитие рибосомы, подобных молекулярным собраниям. Очевидно, что в этом ограниченном смысле возможны молекулярные сборщики. Технологический проект дорожной карты, возглавляемый Мемориальным институтом Баттелле и организованный несколькими национальными лабораториями США, исследовал ряд атомно точных технологий изготовления, в том числе как начальные, так и более длительные перспективы программируемой молекулярной сборки; Отчет был опубликован в декабре 2007 года. В 2008 году исследовательский совет по инженерным и физическим наукам предоставил финансирование в размере 1,5 млн. Фунтов стерлингов в течение шести лет (1 942 235,57 фунтов стерлингов, 2 693 808,00 долл. США в 2021 году. ) для исследований, работающих в направлении механизированного механосинтеза , в партнерстве с Институтом молекулярного производства, среди прочего.

Аналогичным образом, термин «молекулярный ассемблер» использовался в научной фантастике и популярной культуре для обозначения широкого спектра фантастических атома-манипулирующих наномашинов. Большая часть противоречий в отношении «молекулярных сборщиков» является результатом путаницы в использовании названия как для технических концепций, так и для популярных фантазий. В 1992 году Drexler представил связанный, 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 сборщики» в популярном смысле. К ним относятся гипотетические машины, которые манипулируют индивидуальными атомами и машинами с помощью организма, похожих на самореплицирующие способности, мобильность, способность потреблять пищу и так далее. Они сильно отличаются от устройств, которые просто (как определено выше) «направляющие химические реакции путем позиционирования реактивных молекул с атомной точностью».

Поскольку синтетические молекулярные сборщики никогда не были построены, и из -за путаницы относительно значения этого термина возникли много противоречий в отношении того, возможны ли «молекулярные сборщики» или просто научную фантастику. Путаница и споры также связаны с их классификацией как нанотехнологии , которая является активной областью лабораторных исследований, которые уже применяются к производству реальных продуктов; Однако до недавнего времени было, до недавнего времени Никаких исследовательских усилий по фактическому построению «молекулярных сборщиков».

Тем не менее, статья в 2013 году группы Дэвида Ли , опубликованная в журнале Science , подробно описывает новый метод синтеза пептида специфичным для последовательности, используя искусственную молекулярную машину, которая руководствуется молекулярной цепью. Это функционирует так же, как и белки строительства рибосом путем сборки аминокислот в соответствии с чертежкой Мессенджера РНК. Структура машины основана на ротаксане , который представляет собой молекулярное кольцо, скользящее вдоль молекулярной оси. Кольцо несет тиолатную группу, которая удаляет аминокислоты по последовательности от оси, перенося их в сайт сборки пептидов. В 2018 году та же группа опубликовала более продвинутую версию этой концепции, в которой молекулярные кольцевые переключатели вдоль полимерной дорожки для сборки олигопептида , может складываться в α-спираль , которая может выполнить энантиоселективное эпоксидирование производного халкона который (в некотором смысле Напоминает рибосому, собирающую фермент ). В другой статье, опубликованной в науке 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 реактивными сайтами искусственной молекулярной машины. В сопутствующей статье новостей и просмотров под названием «Молекулярный ассемблер» описана операция молекулярного робота как эффективно прототипический молекулярный ассемблер.

Нанофазоры

Нанофактор наномашины - это предлагаемая система, в которой ( напоминающие молекулярные сборщики или рычаги промышленного робота) объединят реактивные молекулы посредством механосинтеза для построения больших атомно точных частей. Они, в свою очередь, будут собраны путем позиционирования механизмов различных размеров для построения макроскопических (видимых), но все еще атомно-ориентированных продуктов.

Типичная нанофанация будет соответствовать настольной коробке, в видении К. Эрика Дрекслера, опубликованного в наносистемах: молекулярное оборудование, производство и вычисления (1992), заметная работа « Исследовательской инженерии ». В течение 1990 -х годов другие расширили концепцию нанофакториев, включая анализ нанофакционной конвергентной сборки Ральфа Меркла , системного проектирования реплицирующей нанофакционной архитектуры Дж. Сторрс Холл , Форрест «Универсальный сборник», процесс патентного экспоненциального сборки по Zypex от Zypex. и проектирование систем высшего уровня для «примитивной нанофактории» Криса Феникса (директор по исследованиям в Центре ответственной нанотехнологии). Все эти нанофакторные конструкции (и многое другое) суммированы в главе 4 кинематических самореплицирующихся машин (2004) Робертом Фрейтасом и Ральфом Меркл. Нанофаковое сотрудничество, Основанная Freitas и Merkle в 2000 году, является целенаправленным, постоянным усилием, в которых участвуют 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, которые разрабатывают практическую программу исследований Специально предназначен для позиционно контролируемого алмазного механосинтеза и разработки алмазоидных нанофайков.

В 2005 году Джон Берч был продюсирован анимационный короткометражный фильм о концепции нанофактации в сотрудничестве с Дрекслером. Такие видения были предметом больших дебатов на нескольких интеллектуальных уровнях. Никто не обнаружил непреодолимую проблему с основными теориями, и никто не доказал, что теории могут быть переведены на практику. Тем не менее, дебаты продолжаются, а некоторые из них обобщены в статье молекулярной нанотехнологии .

Если бы нанофактории могли быть построены, серьезные нарушения мировой экономики будут одним из многих возможных негативных последствий, хотя можно утверждать, что это разрушение будет иметь небольшой негативный эффект, если бы у всех были такие нанофакторы. Большие преимущества также будут ожидаются. Различные произведения научной фантастики исследовали эти и подобные концепции. Потенциал для таких устройств был частью мандата крупного британского исследования, проведенного профессором машиностроения Дама Энн Доулинг .

Саморепликация

«Молекулярные сборщики» были запутаны с самореплицирующимися машинами. Чтобы произвести практическое количество желаемого продукта, размер наноразмерного типичного научно -фантастического универсального молекулярного ассемблера требует чрезвычайно большого количества таких устройств. Тем не менее, один такой теоретический молекулярный ассемблер может быть запрограммирован на самостоятельный репликат , построив многие копии себя. Это позволило бы экспоненциальную ставку производства. Затем, после того, как было доступно достаточное количество молекулярных сборщиков, они затем будут перепрограммированы для производства желаемого продукта. Однако, если саморепликация молекулярных сборщиков не была ограничена, это может привести к конкуренции с естественными организмами. Это называлось экофагией или проблемой серой сливки .

Одним из методов построения молекулярных сборщиков является имитировать эволюционные процессы, используемые биологическими системами. Биологическая эволюция происходит по случайным изменениям в сочетании с отбором менее успешных вариантов и воспроизведения более успешных вариантов. Производство сложных молекулярных сборщиков может быть развито из более простых систем, поскольку « сложная система , которая работает, неизменно обнаружилась из простой системы, которая работала ... сложная система, разработанная с нуля, никогда не может быть исправлена, чтобы сделать создание, чтобы создать Это работает. Тем не менее, большинство опубликованных руководящих принципов безопасности включают «рекомендации против разработки ... проектов репликаторов, которые позволяют выжить мутация или проходить эволюцию».

Большинство конструкций ассемблера сохраняют «исходный код» внешним по отношению к физическому ассемблеру. На каждом этапе производственного процесса этот шаг читается из обычного компьютерного файла и «транслируется» для всех сборщиков. Если какой -либо ассемблер выходит из диапазона этого компьютера, или когда связь между этим компьютером и сборщиками сломана, или когда этот компьютер отключен, сборщики прекращают копирование. Такая «трансляционная архитектура» является одной из функций безопасности, рекомендованных «рекомендациями по предвидению по молекулярной нанотехнологии» и картой 137-мерного пространства проектирования репликатора Недавно опубликованное Freitas и Merkle предоставляет многочисленные практические методы, с помощью которых репликаторы могут безопасно контролироваться хорошим дизайном.

Дебаты Drexler и Smalley

Основная статья: Drexler -Smalley Дебаты о молекулярных нанотехнологиях

Одним из самых откровенных критиков некоторых концепций «молекулярных ассамблеров» был профессор Ричард Смолли (1943–2005), который получил Нобелевскую премию за его вклад в область нанотехнологий . Смэлли полагал, что такие сборщики не были физически возможны и ввели на них научные возражения. Его два основных технических возражения были названы «проблемой толстых пальцев» и «проблемой липких пальцев». Он полагал, что они исключат возможность «молекулярных сборщиков», которые работали путем точного выбора и размещения отдельных атомов. Дрекслер и его коллеги ответили на эти два вопроса В публикации 2001 года.

Смэлли также полагал, что предположения Дрекслера об апокалиптических опасностях самореплицирующихся машин, которые были приравнивались к «молекулярным собраниям», будут угрожать общественной поддержке развития нанотехнологий. Для рассмотрения дебатов между Дрекслером и Смалли относительно молекулярных сборщиков химические и инженерные новости опубликовали точечный счет, состоящий из обмена письмами, которые решали проблемы.

Регулирование

Спекуляция о силе систем, которые были названы «молекулярными сборщиками», вызвали более широкую политическую дискуссию о значении нанотехнологии. Отчасти это связано с тем, что нанотехнология является очень широким термином и может включать «молекулярные сборщики». Обсуждение возможных последствий фантастических молекулярных сборщиков вызвало призывы к регуляции текущей и будущей нанотехнологии. Существуют очень реальные проблемы с потенциальным здоровьем и экологическим воздействием нанотехнологий, которые интегрируются в промышленные продукты. Гринпис , например, заказал отчет о нанотехнологиях, в котором они выражают обеспокоенность по поводу токсичности наноматериалов, которые были введены в окружающую среду. Тем не менее, это делает только передачу ссылок на технологию «Ассемблер». Великобритании Королевское общество и Королевская инженерная академия также заказали отчет под названием «Нанонауки и нанотехнологии: возможности и неопределенности» Относительно более крупных социальных и экологических последствий нанотехнологий. В этом отчете не обсуждается угроза, создаваемая потенциальными так называемыми «молекулярными сборщиками».

Формальный научный обзор

В 2006 году Национальная академия наук США опубликовала отчет об исследовании молекулярного производства (не молекулярные сборщики как таковые) как часть более длинного отчета, вопрос: три года обзор национальной инициативы нанотехнологии Исследовательский комитет рассмотрел техническое содержание наносистем , и в своем заключении говорится, что ни один текущий теоретический анализ не может считаться окончательным в отношении нескольких вопросов потенциальной производительности системы, и что оптимальные пути для реализации высокопроизводительных систем не могут быть предсказаны с уверенностью. Он рекомендует финансировать экспериментальные исследования для проведения экспериментальных демонстраций в этой области:

«Несмотря на то, что теоретические расчеты могут быть сделаны сегодня, в конечном итоге достижимый диапазон химических реакций, частота ошибок, скорость работы и термодинамическая эффективность таких восходящих производственных систем не может быть надежно предсказано в это время. Таким образом, в конечном итоге достижимое совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство и совершенство. Сложность изготовленных продуктов, хотя они могут быть рассчитаны в теории, нельзя предсказать с . уверенностью Финансирование исследований, основанное на способности исследователей производить экспериментальные демонстрации, которые связаны с абстрактными моделями и направляют долгосрочное видение, наиболее подходит для достижения этой цели ».

Серый Гу

Основная статья: Grey Goo

Одним из потенциальных сценариев, который был представлен, является неконтролируемая самореплицирующиеся молекулярные сборщики в форме серой GOO , которая потребляет углерод, чтобы продолжить свою репликацию. В случае непревзойденной, такая механическая репликация может потенциально потреблять целые экорегионы или всю землю ( экофагию ), или она может просто отключить естественные формы жизни для необходимых ресурсов, таких как углерод , АТФ или ультрафиолетовый свет (на котором работают некоторые наномоторные примеры). Тем не менее, сценарии экофагии и «серой гу», такие как синтетические молекулярные сборщики, основаны на все еще гипотетических технологиях, которые еще не были продемонстрированы экспериментально.

Смотрите также

• Нанотехнология
• Молекулярная машина
• Биоэтика
• Биобезопасность
• Биобезопасность
• Биотехнология
• Экоцид
• Экофагия
• Санта -Клаус Машина
• 3D printing
• Нанотехнология в художественной литературе

Внешние ссылки

• Molecular Dynamics Studio (2016) Бесплатная программа многомасштабного моделирования и моделирования с открытым исходным кодом для нанокомпозитов с особой поддержкой структурных нанотехнологий ДНК (первоначально Nanoengineer-1 от Nanorex)
• Nano-Hive: Nanospace Simulator (2006) Свободное программное обеспечение для моделирования сущностей Nanotech
• Руководящие принципы Foresight для ответственного развития нанотехнологий (2006) технологий молекулярного производства
• Центр ответственных нанотехнологий (2008)
• Веб -сайт молекулярного ассемблера (2008)
• Ярость против (зеленый) машины (2003) в Wired
• Правительственное запуск Nano Exaction UK EducationGuardian, 11 июня 2003 г.
• Раскрытие больших дебатов по поводу Small Machines (2004) от Betterhumans.com
• Расчетные соображения для ассемблера (1995) Ральфа Меркл
• Кинематические самореплицирующиеся машины -Техническая книга онлайн: Первый комплексный обзор молекулярных сборщиков (2004) Роберт Фрейтас и Ральф Меркл
• Дизайн примитивного нанофазора (2003)
• Видео - Nanojoctory in Action (2006)
• Нанофаковая технология
• Обзор молекулярного производства
• Интегрированные наносистемы для атомно -точного производства - мастерская Министерства энергетики США - 5–6 августа 2015 г.