Молекулярный ассемблер - Molecular assembler

Часть цикла статей о
Молекулярные
нанотехнологии

Молекулярного ассемблер , как это определено Эрик Дрекслер , является «Предлагаемое устройство в состоянии вести химические реакции путем установки реактивных молекул с атомной точностью». Молекулярный ассемблер - это своего рода молекулярная машина . Некоторые биологические молекулы, такие как рибосомы, подходят под это определение. Это потому, 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 является биологической машиной .

Начиная с 2007 года Британский исследовательский совет по инженерным и физическим наукам профинансировал разработку молекулярных ассемблеров, подобных рибосомам . Ясно, что в этом ограниченном смысле возможны молекулярные ассемблеры. В рамках проекта дорожной карты технологий, возглавляемого Мемориальным институтом Баттелла и осуществляемого несколькими национальными лабораториями США, исследуется ряд технологий производства атомарной точности, включая как раннее поколение, так и долгосрочные перспективы программируемой молекулярной сборки; отчет был выпущен в декабре 2007 года. В 2008 году Исследовательский совет по инженерным и физическим наукам предоставил финансирование в размере 1,5 миллиона фунтов стерлингов в течение шести лет (1 942 235,57 фунтов стерлингов, 2 693 808 долларов США в 2021 году) для исследований, направленных на механизированный механосинтез , в партнерстве с Институтом молекулярных исследований. Производство, среди прочего.

Точно так же термин «молекулярный ассемблер» использовался в научной фантастике и популярной культуре для обозначения широкого спектра фантастических наномашин, манипулирующих атомами, многие из которых в реальности могут быть физически невозможными. Большая часть разногласий относительно «молекулярных ассемблеров» возникает из-за путаницы в использовании 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 манипулирования отдельными атомами».

В этой статье в основном обсуждаются «молекулярные ассемблеры» в популярном смысле. К ним относятся гипотетические машины, которые манипулируют отдельными атомами, и машины с подобными организмам способностями к самовоспроизведению , мобильностью, способностью потреблять пищу и так далее. Они сильно отличаются от устройств, которые просто (как определено выше) «направляют химические реакции, позиционируя реактивные молекулы с атомарной точностью».

Поскольку синтетические молекулярные ассемблеры никогда не были сконструированы и из-за путаницы относительно значения этого термина, было много споров относительно того, возможны ли «молекулярные ассемблеры» или это просто научная фантастика. Путаница и разногласия также проистекают из их классификации как нанотехнологии , которая является активной областью лабораторных исследований, которые уже применялись для производства реальных продуктов; однако до недавнего времени не было никаких исследований по созданию «молекулярных ассемблеров».

Тем не менее, в статье 2013 года группы Дэвида Ли , опубликованной в журнале Science , подробно описывается новый метод синтеза пептида в зависимости от последовательности с использованием искусственной молекулярной машины, которая управляется молекулярной цепью. Это функционирует так же, как белки, строящие рибосомы, путем сборки аминокислот в соответствии с планом информационной РНК. Конструкция машины основана на ротаксане , который представляет собой молекулярное кольцо, скользящее по оси молекулы. Кольцо несет тиолатную группу, которая последовательно удаляет аминокислоты от оси, перенося их на сайт сборки пептида. В 2018 году, та же группа опубликовала более совершенную версию этой концепции , в которой молекулярные кольцах челноки вдоль полимерной дорожки , чтобы собрать олигопептид , который может сложить в альфа-спираль , которая может выполнить энантиоселективное эпоксидировани в виде халкон производного (таким образом , 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, который можно запрограммировать для создания любого из четырех различных стереоизомеров молекулярного продукта с помощью наномеханической роботизированной руки для перемещения молекулярного субстрата между различными реактивными участками искусственной молекулярной машины. В сопутствующей статье News and Views под названием «Молекулярный ассемблер» описывается работа молекулярного робота как эффективного прототипа молекулярного ассемблера.

Нанофабрики

Нанофабрика является предлагаемая система , в которой Наномашины (напоминающие молекулярные ассемблеры, или промышленных роботов оружия) будет сочетать реактивные молекулы с помощью механосинтеза , чтобы построить большие атомарно точные детали. Они, в свою очередь, будут собираться с помощью механизмов позиционирования различных размеров для создания макроскопических (видимых), но все же атомарно точных продуктов.

Типичная нанофабрика поместится в настольную коробку в видении К. Эрика Дрекслера, опубликованного в « Наносистемах: молекулярные машины, производство и вычисления» (1992), заметном труде « исследовательского инжиниринга ». В течение 1990-х годов другие компании расширили концепцию нанофабрики, включая анализ конвергентной сборки нанофабрики Ральфом Мерклом , системный дизайн воспроизводящей архитектуры нанофабрики Дж. Сторрсом Холлом , «Универсальный ассемблер» Форреста Бишопа , запатентованный процесс экспоненциальной сборки Zyvex и проект систем верхнего уровня для «примитивной нанофабрики» Криса Феникса (директор по исследованиям Центра ответственных нанотехнологий). Все эти конструкции нанофабрик (и многие другие) суммированы в главе 4 книги « Кинематические самовоспроизводящиеся машины» (2004) Роберта Фрейтаса и Ральфа Меркла. Нанофабрика Collaboration, основанная Фрейтас и Меркл в 2000 году, является целенаправленной, постоянными усилиями с участием 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, разрабатывают практические программы научных исследований , специально направленные на позиционно-контролируемый алмазным механосинтезе и алмазоиды развития нанофабрики.

В 2005 году Джон Берч в сотрудничестве с Дрекслером снял компьютерный анимационный короткометражный фильм о концепции нанофабрики. Такие видения были предметом многочисленных споров на нескольких интеллектуальных уровнях. Никто не обнаружил непреодолимой проблемы с лежащими в основе теориями, и никто не доказал, что теории могут быть воплощены в жизнь. Однако дебаты продолжаются, и некоторые из них резюмируются в статье о молекулярных нанотехнологиях .

Если бы можно было построить нанофабрики, серьезное нарушение мировой экономики было бы одним из многих возможных негативных последствий, хотя можно было бы утверждать, что это нарушение не имело бы отрицательного эффекта, если бы такие нанофабрики были у всех. Ожидаются также большие выгоды. Эти и подобные концепции исследуются в различных произведениях научной фантастики . Потенциал таких устройств был частью крупного британского исследования, проведенного профессором машиностроения Дэйм Энн Доулинг .

Самовоспроизведение

«Молекулярные ассемблеры» были перепутаны с самовоспроизводящимися машинами. Чтобы произвести практическое количество желаемого продукта, наноразмерный размер 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 своих копий. Это обеспечило бы экспоненциальную скорость производства. Затем, когда будет доступно достаточное количество молекулярных ассемблеров, их перепрограммируют для производства желаемого продукта. Однако, если не ограничивать саморепликацию молекулярных ассемблеров, это могло бы привести к конкуренции с естественными организмами. Это было названо экофагией или проблемой серой слизи .

Один из методов построения молекулярных ассемблеров - имитировать эволюционные процессы, используемые биологическими системами. Биологическая эволюция происходит путем случайного изменения в сочетании с отбраковкой менее удачных вариантов и воспроизведением более удачных вариантов. Производство сложных молекулярных ассемблеров может развиваться из более простых систем, поскольку « Сложная система, которая работает, неизменно эволюционировала из простой системы, которая работала ... Сложная система, разработанная с нуля, никогда не работает и не может быть исправлена ​​для создания. это работает. Вы должны начать все сначала, начиная с работающей системы ». Тем не менее, большинство опубликованных руководств по безопасности включают «рекомендации против разработки ... конструкций репликаторов, которые позволяют выжить при мутации или претерпевать эволюцию».

В большинстве проектов ассемблера «исходный код» остается внешним по отношению к физическому ассемблеру. На каждом этапе производственного процесса этот этап 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 прерывается, или когда этот компьютер отключен, ассемблеры прекращают репликацию. Такая «широковещательная архитектура» является одной из функций безопасности, рекомендованных «Руководством по предвидению по молекулярной нанотехнологии», а карта 137-мерного пространства дизайна репликаторов, недавно опубликованная Фрейтасом и Мерклом, предоставляет многочисленные практические методы, с помощью которых репликаторы могут быть безопасно контролируется хорошим дизайном.

Дрекслер и Смолли дебаты

Основная статья: Дебаты Дрекслера-Смолли о молекулярной нанотехнологии

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

Смолли также считал, что рассуждения Дрекслера об апокалиптических опасностях самовоспроизводящихся машин, которые приравниваются к «молекулярным ассемблерам», поставят под угрозу общественную поддержку развития нанотехнологий. Чтобы обратиться к дискуссии между Дрекслером и Смолли относительно молекулярных ассемблеров, компания Chemical & Engineering News опубликовала контрапункт, состоящий из обмена письмами, в которых рассматривались эти проблемы.

Регулирование

Спекуляции на мощи систем, которые были названы «молекулярными ассемблерами», вызвали широкую политическую дискуссию о значении нанотехнологий. Частично это связано с тем, что нанотехнология - это очень широкий термин, который может включать «молекулярные ассемблеры». Обсуждение возможных последствий фантастических молекулярных ассемблеров вызвало призывы к регулированию нынешних и будущих нанотехнологий. Существуют очень серьезные опасения по поводу потенциального воздействия на здоровье и окружающую среду нанотехнологий, которые интегрируются в производимые продукты. Гринпис, например, заказал отчет о нанотехнологиях, в котором они выражают озабоченность токсичностью наноматериалов, которые были внесены в окружающую среду. Однако в нем даются лишь временные ссылки на «ассемблерную» технологию. Королевское общество Великобритании и Королевская инженерная академия также заказали отчет под названием «Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности», касающийся более широких социальных и экологических последствий нанотехнологий. В этом отчете не обсуждается угроза, исходящая от потенциальных так называемых «молекулярных ассемблеров».

Формальный научный обзор

В 2006 году Национальная академия наук выпустила доклад исследования молекулярного производства как часть более длинного доклада, дело размера: триеннале Обзор Национальной нанотехнологической инициативы Комитет обзорное исследование технического содержания Наносистемы , и в его В заключении говорится, что ни один текущий теоретический анализ не может считаться окончательным в отношении некоторых вопросов потенциальной производительности системы, и что оптимальные пути для реализации высокопроизводительных систем не могут быть предсказаны с уверенностью. Он рекомендует экспериментальные исследования для углубления знаний в этой области:

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

Серая слизь

Основная статья: Серая слизь

Один из предполагаемых возможных сценариев - это неконтролируемые самовоспроизводящиеся молекулярные ассемблеры в форме серой слизи, которая потребляет углерод для продолжения своей репликации. Если этот параметр не установлен, такое механическое воспроизведение может потенциально потреблять целые экорегионы или всю Землю ( экофагия ), или оно может просто превосходить естественные формы жизни за необходимые ресурсы, такие как углерод , АТФ или УФ- свет (на которых работают некоторые примеры наномоторов ). Однако сценарии экофагии и «серой слизи», как и синтетические молекулярные ассемблеры, основаны на все еще гипотетических технологиях, которые еще не были продемонстрированы экспериментально.

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки