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.
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. [1] 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, 2 693 808,00 долларов США в 2021 году [2] ) для исследований в области механизированного механосинтеза в партнерство с Институтом молекулярного производства, среди других. [3]
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». [4]
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 самовоспроизводиться , подобной организму , 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 было [ когда? ] 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. [5] Это работает 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, который может сворачиваться в α-спираль , которая может выполнять энантиоселективное эпоксидирование производного халкона (своего рода напоминает рибосому, собирающую фермент ). [6] 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. [7]
В 2017 году группа Дэвида Ли сообщила о молекулярном роботе, которого можно запрограммировать на создание любого из четырех различных стереоизомеров молекулярного продукта с использованием наномеханической роботизированной руки для перемещения молекулярного субстрата между различными реакционными участками искусственной молекулярной машины. [8] В сопроводительной статье News and Views под названием «Молекулярный ассемблер» описывается работа молекулярного робота как прототипа молекулярного ассемблера. [9]
Нанофабрика — это предлагаемая система, в которой наномашины (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 умещалась бы в настольной коробке, согласно видению К. Эрика Дрекслера, опубликованному в книге «Наносистемы: молекулярное оборудование, производство и вычисления» (1992), известной работе « исследовательской инженерии ». В течение 1990-х годов 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. Сотрудничество нанофабрик [10] , основанное Фрейтасом и Меркле в 2000 году, представляет собой целенаправленную, постоянную работу с участием 23 исследователей из 10 организаций и 4 стран, которая разрабатывает программу практических исследований [11], специально направленную на механосинтез алмазов с позиционным управлением и алмазоиды. развитие нанофабрик.
В 2005 году Джон Берч в сотрудничестве с Дрекслером снял короткометражный компьютерный 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. Эти и подобные концепции исследуются в различных произведениях научной фантастики . Потенциал таких устройств был частью масштабного британского исследования, проведенного профессором машиностроения Дамой Энн Даулинг .
«Молекулярных ассемблеров» путают с самовоспроизводящимися машинами. Для производства практического количества 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, когда 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 . [12]
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 не может быть исправлена, чтобы сделать Это работает. Вам придется начать все сначала, начиная с системы, которая работает». [13] Однако большинство опубликованных руководств по безопасности включают «рекомендации против разработки... конструкций репликаторов, которые позволяют пережить мутацию или подвергнуться эволюции». [14]
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», а карта 137-мерного пространства проектирования репликаторов [15], недавно опубликованная Фрейтасом и Меркле, предоставляет многочисленные практические методы, с помощью которых репликаторы можно безопасно контролировать благодаря хорошему дизайну.
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 [16] 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. [4]
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. [17] Однако там лишь вскользь упоминаются «ассемблерные» технологии. Королевское общество Великобритании и Королевская инженерная академия также подготовили доклад под названием «Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности» [18] относительно более широких социальных и экологических последствий нанотехнологий. В этом отчете не обсуждается угроза, исходящая от потенциальных так называемых «молекулярных ассемблеров».
В 2006 году Национальная академия наук США опубликовала отчет об исследовании молекулярного производства как часть более длинного отчета « Вопрос размера: трехлетний обзор Национальной нанотехнологической инициативы» [19] . Исследовательский комитет рассмотрел техническое содержание « Наносистем» . и в своем заключении говорится, что ни один текущий теоретический анализ не может считаться окончательным в отношении некоторых вопросов потенциальной производительности системы и что оптимальные пути реализации высокопроизводительных систем не могут быть предсказаны с уверенностью. Он рекомендует экспериментальные исследования для расширения знаний 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 Наконец, в настоящее время невозможно надежно предсказать оптимальные пути исследований, которые могут привести к созданию систем, которые значительно превосходят термодинамическую эффективность 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».
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 ультрафиолетовый 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.
