Молекулярный ассемблер - Molecular assembler

Часть серии статей о
Молекулярный
нанотехнологии
  • Приложения Nuvola kalzium.svg Научный портал
  • Telecom-icon.svg Технологический портал

А молекулярный ассемблер, как определено К. Эрик Дрекслер, представляет собой "предлагаемое устройство, способное направлять химические реакции позиционируя реактивные молекулы с атомной точностью ". Молекулярный ассемблер - это своего рода молекулярная машина. Некоторые биологические молекулы, такие как рибосомы соответствуют этому определению. Это потому, что они получают инструкции от информационная РНК а затем собрать определенные последовательности аминокислоты строить белок молекулы. Однако термин «молекулярный ассемблер» обычно относится к теоретическим устройствам, созданным человеком.

А рибосома это биологическая машина.

Начиная с 2007 г. Совет по инженерным и физическим наукам профинансировал разработку молекулярных ассемблеров, подобных рибосомам. Очевидно, что в этом ограниченном смысле возможны молекулярные ассемблеры. Проект дорожной карты технологий, возглавляемый Battelle Memorial Institute и организовано несколькими Национальные лаборатории США исследовал ряд технологий производства атомарной точности, включая как раннее поколение, так и долгосрочные перспективы программируемой молекулярной сборки; Отчет был выпущен в декабре 2007 года.[1] В 2008 году Исследовательский совет по инженерным и физическим наукам предоставил финансирование в размере 1,5 миллиона фунтов стерлингов в течение шести лет для исследований, направленных на механизированный механосинтез, в частности, в партнерстве с Институтом молекулярного производства.[2]

Аналогичным образом термин «молекулярный ассемблер» использовался в научная фантастика и популярная культура для обозначения широкого спектра фантастических наномашин, управляющих атомами, многие из которых могут быть физически невозможными в реальности. Большая часть споров 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 с помощью механическое позиционирование реактивных молекул, а не путем манипулирования отдельными атомами ».[3]

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 самовоспроизводящийся способности, подвижность, способность потреблять пищу и т. д. 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 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, которая уже применяется для производства реальных продуктов; однако до недавнего времени не было никаких исследований по созданию «молекулярных ассемблеров».

Тем не менее, в статье 2013 г. Дэвид Ли группа, опубликованная в журнале Наука, подробно описывает новый метод синтеза пептида в зависимости от последовательности с использованием искусственной молекулярной машины, которая управляется молекулярной цепью.[4] Это функционирует так же, как белки, строящие рибосомы, путем сборки аминокислот в соответствии с планом информационной РНК. Конструкция машины основана на ротаксан, представляющее собой молекулярное кольцо, скользящее по оси молекулы. Кольцо несет тиолат группа, которая удаляет аминокислоты последовательно от оси, перенося их на сайт сборки пептида. В 2018 году та же группа опубликовала более продвинутую версию этой концепции, в которой молекулярное кольцо перемещается по полимерному пути для сборки олигопептида, который может складываться в α-спираль который может выполнять энантиоселективное эпоксидирование халкон производная (в некотором роде напоминающая рибосома сборка фермент ).[5] В другой статье, опубликованной в Наука в марте 2015 года химики Университет Иллинойса сообщить о платформе, которая автоматизирует синтез 14 классов маленькие молекулы, с тысячами совместимых строительных блоков.[6]

В 2017 г. Дэвид Ли группа сообщила о молекулярном роботе, который можно запрограммировать для конструирования любого из четырех различных стереоизомеров молекулярного продукта с помощью наномеханической руки робота для перемещения молекулярного субстрата между разными реактивными участками искусственной молекулярной машины.[7] В сопроводительной статье News and Views под названием «Молекулярный ассемблер» описывается работа молекулярного робота как эффективного прототипа молекулярного ассемблера.[8]

Нанофабрики

А нанофабрика это предлагаемая система, в которой наномашины (напоминая молекулярные ассемблеры или промышленные роботы-манипуляторы) будут объединять реактивные молекулы механосинтез для создания более крупных деталей с атомарной точностью. Они, в свою очередь, должны быть собраны с помощью механизмов позиционирования различных размеров для создания макроскопических (видимых), но все же продуктов атомарной точности.

Типичная нанофабрика поместится в настольную коробку, в видении К. Эрик Дрекслер опубликовано в Наносистемы: молекулярная техника, производство и вычисления (1992), выдающаяся работа "разведочная инженерия ". В течение 1990-х годов другие организации расширили концепцию нанофабрики, включая анализ конвергентной сборки нанофабрик. Ральф Меркл, системный дизайн повторяющейся архитектуры нанофабрики Дж. Сторрс Холл, Форрест Бишоп «Универсальный ассемблер», 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 многое другое) кратко описаны в главе 4 Кинематические самовоспроизводящиеся машины (2004) автор: Роберт Фрейтас и Ральф Меркл. Сотрудничество с нанофабриками,[9] Основанная Фрейтасом и Меркле в 2000 году, это целенаправленная постоянная работа с участием 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, которая разрабатывает программу практических исследований.[10] специально нацелена на позиционно-управляемый механосинтез алмазов и развитие нанофабрики алмазоидов.

В 2005 году Джон Берч в сотрудничестве с Дрекслер снял короткометражный компьютерный анимационный 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 споры продолжаются, и некоторые из них резюмируются в молекулярная нанотехнология статья.

Если удастся построить нанофабрики, это нанесет серьезный ущерб мировая экономика было бы одним из многих возможных негативных воздействий, хотя можно было бы утверждать, что это нарушение имело бы небольшой негативный эффект, если бы у всех были такие нанофабрики. Также можно было бы ожидать больших выгод. Различные произведения научная фантастика исследовали эти и подобные концепции. Потенциал таких устройств был частью крупного британского исследования, проведенного машиностроение профессор Дам Энн Доулинг.

Самовоспроизведение

«Молекулярные ассемблеры» путали с самовоспроизводящимися машинами. Чтобы произвести практическое количество желаемого продукта, наноразмерный типичный универсальный молекулярный ассемблер из научной фантастики требует чрезвычайно большого количества таких устройств. Однако один такой теоретический молекулярный ассемблер может быть запрограммирован на самовоспроизводящийся, создавая множество копий самого себя. 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 экофагия или серая слизь проблема.[11]

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 сборщиков может происходить из более простых систем, поскольку "A сложная система Эта работающая система неизменно эволюционировала из простой работающей системы. . . . Сложная система, созданная с нуля, никогда не работает и не может быть исправлена, чтобы заставить ее работать. Вы должны начать все сначала, начиная с работающей системы ».[12] Тем не менее, большинство опубликованных руководств по безопасности включают «рекомендации против разработки ... конструкций репликаторов, допускающих выжившие мутации или эволюцию».[13]

Большинство проектов на ассемблере хранят «исходный код» вне физического ассемблера. На каждом этапе производственного процесса этот этап считывается из обычного компьютерного файла и "транслируется" всем ассемблерам. 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 перестают копировать. Такая «широковещательная архитектура» является одной из функций безопасности, рекомендованных «Руководством по предвидению по молекулярной нанотехнологии» и картой 137-мерного пространства дизайна репликатора[14] недавно опубликованный Фрейтасом и Меркле предоставляет множество практических методов, с помощью которых репликаторы можно безопасно контролировать с помощью хорошего дизайна.

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), выигравший Нобелевская премия за его вклад в области нанотехнологии. 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 две проблемы.[15] в публикации 2001 г.

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 Новости химии и машиностроения опубликовал контрапункт, состоящий из обмена письмами, посвященными этим вопросам.[3]

Регулирование

Спекуляции о силе 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 вполне реальные опасения по поводу потенциального воздействия на здоровье и окружающую среду нанотехнологий, которые интегрируются в производимые продукты. Гринпис например, заказали отчет о нанотехнологиях, в котором выражается озабоченность токсичностью наноматериалов, которые были внесены в окружающую среду.[16] Однако в нем даются лишь временные ссылки на «ассемблерную» технологию. Великобритания Королевское общество и Королевская инженерная академия также заказал доклад под названием «Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности».[17] относительно более серьезных социальных и экологических последствий для нанотехнологий. В этом отчете не обсуждается угроза, исходящая от потенциальных так называемых «молекулярных ассемблеров».

Формальный научный обзор

В 2006 году Национальная академия наук США выпустила отчет об исследовании молекулярного производства как часть более длинного отчета. Вопрос в размере: трехлетний обзор Национальной инициативы в области нанотехнологий[18] Исследовательский комитет рассмотрел техническое содержание Наносистемы, и в его заключении говорится, что ни один текущий теоретический анализ нельзя считать окончательным в отношении некоторых вопросов потенциальной производительности системы, и что оптимальные пути для реализации высокопроизводительных систем нельзя предсказать с уверенностью. Он рекомендует экспериментальные исследования для углубления знаний в этой области:

"Хотя теоретические расчеты могут быть выполнены сегодня, достижимый в конечном итоге диапазон циклов химических реакций, частота ошибок, скорость работы и термодинамическая эффективность таких восходящих производственных систем невозможно надежно предсказать в настоящее время. Таким образом, достижимое в конечном итоге совершенство и сложность производимых продуктов, хотя они могут быть рассчитаны теоретически, не могут быть предсказаны с уверенностью. Наконец, оптимальные пути исследования, которые могут привести к системам, которые превышают термодинамическую эффективность и другие возможности биологических систем в настоящее время невозможно надежно предсказать. 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 возможных сценариев предполагался - это неконтролируемые самовоспроизводящиеся молекулярные ассемблеры в форме серая слизь который потребляет углерод для продолжения своего воспроизводства. Если этот флажок не установлен, такое механическое воспроизведение может потенциально потреблять экорегионы или вся Земля (экофагия ), или он мог бы просто превзойти естественные формы жизни за необходимые ресурсы, такие как углерод, АТФ, или же УФ свет (который некоторые наномотор примеры продолжаются). Тем не менее экофагия и сценарии «серой слизи», такие как синтетические молекулярные ассемблеры, основаны на все еще гипотетических технологиях, которые еще не были продемонстрированы экспериментально.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «Продуктивные наносистемы: технологическая дорожная карта» (PDF). Институт Форсайта.
  2. ^ «Гранты в сети». Архивировано из оригинал 4 ноября 2011 г.
  3. ^ а б "C & En: Cover Story - Нанотехнологии".
  4. ^ Левандовски, Бартош; Де Бо, Гийом; Уорд, Джон В .; Папмейер, Маркус; Кущель, Соня; Aldegunde, María J .; Грамлих, Филипп М. Э .; Хекманн, Доминик; Голдуп, Стивен М. (11 января 2013 г.). "Последовательно-специфический синтез пептидов с помощью искусственной машины с небольшими молекулами". Наука. 339 (6116): 189–193. Дои:10.1126 / science.1229753. ISSN  0036-8075. PMID  23307739.
  5. ^ Де Бо, Гийом; Gall, Malcolm A. Y .; Кущель, Соня; Зима, Жюльен Де; Жербо, Паскаль; Ли, Дэвид А. (2018-04-02). «Искусственная молекулярная машина, создающая асимметричный катализатор». Природа Нанотехнологии. 13 (5): 381–385. Дои:10.1038 / с41565-018-0105-3. ISSN  1748-3395. PMID  29610529.
  6. ^ Li, J .; Ballmer, S.G .; Gillis, E. P .; Fujii, S .; Schmidt, M. J .; Палаццоло, А. М. Э .; Lehmann, J. W .; Морхаус, Г. Ф .; Берк, М. Д. (2015). «Синтез множества различных типов малых органических молекул с использованием одного автоматизированного процесса». Наука. 347 (6227): 1221–1226. Дои:10.1126 / science.aaa5414. ЧВК  4687482. PMID  25766227.
  7. ^ Kassem, S .; Ли, А. Т. Л ..; Ли, Д.А.; Marcos, V .; Палмер, Л. И .; Пизано, С. (2017). «Стереодивергентный синтез с помощью программируемой молекулярной машины». Природа. 549 (7672): 374–378. Дои:10.1038 / природа23677. PMID  28933436.
  8. ^ Kelly, T. R .; Снаппер, М. Л. (2017). «Молекулярный ассемблер». Природа. 549 (7672): 336–337. Дои:10.1038 / 549336a. PMID  28933435.
  9. ^ «Сотрудничество нанофабрик».
  10. ^ «Технические проблемы нанофабрики».
  11. ^ «Нанотехнологии: серая слизь - небольшая проблема». Архивировано из оригинал на 2014-08-29. Получено 2007-08-21.
  12. ^ Галл, Джон, (1986) Системантика: как на самом деле работают системы и как они не работают, 2-е изд. Анн-Арбор, Мичиган: Пресса общей систематики.
  13. ^ "Форсайт-руководство по молекулярной нанотехнологии".
  14. ^ «Кинематические самовоспроизводящиеся машины».
  15. ^ "Институт молекулярного производства. Дебаты о сборщиках - Smalley Rebuttal".
  16. ^ Технологии будущего, выбор сегодня В архиве 2006-04-14 на Wayback Machine Нанотехнологии, искусственный интеллект и робототехника; Техническая, политическая и институциональная карта новых технологий. Отчет для экологического треста Гринпис
  17. ^ «Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности». Архивировано из оригинал на 2018-07-03. Получено 2006-06-16.
  18. ^ Совет национальных исследований; Наук, Отдел инженерно-физических наук; Совет, Национальный советник по материалам; Инициатива, Комитет по обзору национальных нанотехнологий (2006). Вопрос в размере: трехгодичный обзор Национальной инициативы в области нанотехнологий - The National Academies Press. Дои:10.17226/11752. ISBN  978-0-309-10223-0.

внешняя ссылка