Молекулярный ассемблер , по определению К. Эрика Дрекслера , — это «предлагаемое устройство, способное направлять химические реакции путем позиционирования реактивных молекул с атомарной точностью». Молекулярный ассемблер — это своего рода молекулярная машина . Некоторые биологические молекулы, такие как рибосомы, соответствуют этому определению. Это происходит 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.
Начиная с 2007 года Британский совет по исследованиям в области инженерии и физических наук финансировал разработку молекулярных ассемблеров, подобных рибосоме . Очевидно, что молекулярные ассемблеры возможны в этом ограниченном смысле. Проект технологической дорожной карты, возглавляемый Battelle Memorial Institute и организованный несколькими национальными лабораториями США, исследовал ряд технологий атомарно точного изготовления, включая как раннее поколение, так и долгосрочные перспективы программируемой молекулярной сборки; отчет был опубликован в декабре 2007 года. [1] В 2008 году Совет по исследованиям в области инженерии и физических наук предоставил финансирование в размере 1,5 миллиона фунтов стерлингов на шесть лет (1 942 235,57 фунтов стерлингов, 2 693 808,00 долларов США в 2021 году [2] ) для исследований, направленных на механизированный механосинтез , в партнерстве с Институтом молекулярного производства и другими. [3]
Аналогично, 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 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». [4]
В этой статье в основном обсуждаются «молекулярные ассемблеры» в популярном смысле. К ним относятся гипотетические машины, которые манипулируют отдельными атомами, и машины с организмоподобными способностями к самовоспроизведению , мобильностью, способностью потреблять пищу и т. д. 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 созданы, а также из-за путаницы относительно значения термина, было много споров относительно того, возможны ли «молекулярные ассемблеры» или это просто научная фантастика. Путаница и споры также вытекают из их классификации как нанотехнологии , которая является активной областью лабораторных исследований, которая уже применялась для производства реальных продуктов; однако, до недавнего времени [ когда? ] не было никаких исследовательских усилий по фактическому созданию «молекулярных ассемблеров».
Тем не менее, в статье группы Дэвида Ли , опубликованной в журнале Science в 2013 году , подробно описывается новый метод синтеза пептида в последовательности-специфической манере с использованием искусственной молекулярной машины, которая направляется молекулярной нитью. [5] Это функционирует так же, как рибосома, строящая белки, собирая аминокислоты в соответствии с планом информационной РНК. Структура машины основана на ротаксане , который представляет собой молекулярное кольцо, скользящее вдоль молекулярной оси. Кольцо несет тиолатную группу, которая удаляет аминокислоты в последовательности с 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 полимерной дорожке, чтобы собрать олигопептид , который может складываться в α-спираль , способную выполнять энантиоселективное эпоксидирование производного халкона (способом, напоминающим сборку фермента рибосомой ) . [6] В другой статье, опубликованной в журнале Science в марте 2015 года, химики из Иллинойсского университета 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 помощью наномеханической роботизированной руки для перемещения молекулярного субстрата между различными реактивными участками искусственной молекулярной машины. [8] Сопроводительная статья News and Views под названием «Молекулярный ассемблер» описала работу молекулярного робота как эффективного прототипа молекулярного ассемблера. [9]
Нанофабрика — это предлагаемая система, в которой наномашины ( похожие на молекулярные ассемблеры или промышленные роботизированные руки) будут объединять реактивные молекулы посредством механосинтеза для создания более крупных атомарно точных деталей. Они, в свою очередь, будут собираться с помощью позиционирующих механизмов различных размеров для создания макроскопических (видимых), но все еще атомарно точных продуктов.
Типичная нанофабрика могла бы поместиться в настольном ящике, согласно видению К. Эрика Дрекслера, опубликованному в Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992), заметной работе по « исследовательской инженерии ». В 1990-х годах другие расширили концепцию нанофабрики, включая анализ конвергентной сборки нанофабрики Ральфом Мерклем , системный проект воспроизводящейся архитектуры нанофабрики Дж. Сторрса Холла , «Универсальный ассемблер» Форреста Бишопа, запатентованный процесс экспоненциальной сборки Zyvex и системный проект верхнего уровня для «примитивной нанофабрики» Криса Феникса (директора исследований в Центре ответственной нанотехнологии). Все эти проекты нанофабрик (и многое другое) обобщены в главе 4 книги « Кинематические самовоспроизводящиеся машины » (2004) Роберта Фрейтаса и Ральфа Мерклем. Сотрудничество в области нанофабрик [10] , основанное Фрейтасом и Мерклем в 2000 году, представляет собой целенаправленную, постоянную работу, в которой участвуют 23 исследователя из 10 организаций и 4 стран, разрабатывающую практическую исследовательскую программу [11], специально направленную на позиционно-управляемый механосинтез алмазов и разработку нанофабрик алмазоидов .
В 2005 году Джон Берч в сотрудничестве с Дрекслером снял анимационный короткометражный фильм о концепции нанофабрики. Такие видения стали предметом многочисленных дебатов на нескольких интеллектуальных уровнях. Никто не обнаружил непреодолимой проблемы с лежащими в их основе теориями, и никто не доказал, что теории могут быть воплощены на практике. Однако дебаты продолжаются, и некоторые из них были обобщены в статье о молекулярной нанотехнологии .
Если бы нанофабрики могли быть построены, одним из многих возможных негативных последствий было бы серьезное нарушение мировой экономики , хотя можно утверждать, что это нарушение имело бы мало негативных последствий, если бы у всех были такие нанофабрики. Также можно было бы ожидать больших выгод. Различные произведения научной фантастики исследовали эти и подобные концепции. Потенциал таких устройств был частью мандата крупного британского исследования, проведенного профессором машиностроения Дэйм Энн Доулинг .
«Молекулярные ассемблеры» путают с самовоспроизводящимися машинами. Для производства практического количества желаемого продукта наномасштабный размер типичного научно-фантастического универсального молекулярного ассемблера требует чрезвычайно большого количества таких устройств. Однако один такой теоретический молекулярный ассемблер может быть запрограммирован на саморепликацию , создавая множество своих копий. Это позволит достичь экспоненциальной скорости производства. Затем, после того как будет доступно достаточное количество молекулярных ассемблеров, они будут перепрограммированы для производства желаемого продукта. Однако, если саморепликация молекулярных ассемблеров не будет ограничена, это может привести к конкуренции с естественными организмами. Это называется экофагией или проблемой серой слизи . [12]
Один из методов создания молекулярных ассемблеров заключается в имитации эволюционных процессов, используемых биологическими системами. Биологическая эволюция происходит путем случайных вариаций в сочетании с отбраковкой менее удачных вариантов и воспроизведением более удачных вариантов. Производство сложных молекулярных ассемблеров может быть получено из более простых систем, поскольку «Сложная система , которая работает, неизменно оказывается произошедшей от простой системы, которая работала... Сложная система, разработанная с нуля, никогда не работает и не может быть исправлена, чтобы заставить ее работать. Вам придется начинать заново, начиная с работающей системы». [13] Однако большинство опубликованных рекомендаций по безопасности включают «рекомендации против разработки... конструкций репликаторов, которые позволяют выживать мутациям или проходить эволюцию». [14]
Большинство конструкций ассемблеров хранят «исходный код» снаружи физического ассемблера. На каждом этапе производственного процесса этот шаг считывается из обычного компьютерного файла и «транслируется» всем ассемблерам. Если какой-либо ассемблер выходит из зоны действия этого компьютера, или когда связь между этим компьютером и ассемблерами нарушается, или когда этот компьютер отключается, ассемблеры прекращают репликацию. Такая «транслируемая архитектура» является одной из функций безопасности, рекомендованных «Руководством по прогнозированию молекулярной нанотехнологии», а карта 137-мерного пространства проектирования репликатора [15], недавно опубликованная Фрейтасом и Мерклем, предоставляет многочисленные практические методы, с помощью которых репликаторы могут безопасно контролироваться с помощью хорошего дизайна.
Одним из самых ярых критиков некоторых концепций «молекулярных ассемблеров» был профессор Ричард Смолли (1943–2005), который получил Нобелевскую премию за свой вклад в область нанотехнологий . Смолли считал, что такие ассемблеры физически невозможны, и выдвинул против них научные возражения. Его два основных технических возражения назывались «проблемой толстых пальцев» и «проблемой липких пальцев». Он считал, что они исключат возможность «молекулярных ассемблеров», которые работали бы путем точного подбора и размещения отдельных атомов. Дрекслер и его коллеги ответили на эти два вопроса [16] в публикации 2001 года.
Смолли также считал, что рассуждения Дрекслера об апокалиптических опасностях самовоспроизводящихся машин, которые были приравнены к «молекулярным ассемблерам», поставят под угрозу общественную поддержку развития нанотехнологий. Чтобы обратиться к дебатам между Дрекслером и Смолли относительно молекулярных ассемблеров, Chemical & Engineering News опубликовали контрапункт, состоящий из обмена письмами, в которых рассматривались эти вопросы. [4]
Спекуляции о мощности систем, которые были названы «молекулярными ассемблерами», вызвали более широкую политическую дискуссию о последствиях нанотехнологий. Это отчасти связано с тем, что нанотехнология — очень широкий термин и может включать «молекулярные ассемблеры». Обсуждение возможных последствий фантастических молекулярных ассемблеров вызвало призывы к регулированию текущих и будущих нанотехнологий. Существуют вполне реальные опасения относительно потенциального воздействия нанотехнологий на здоровье и экологию, которые интегрируются в производимые продукты. Например, Greenpeace заказал отчет о нанотехнологиях, в котором они выражают обеспокоенность токсичностью наноматериалов, которые были введены в окружающую среду. [17] Однако он делает лишь мимолетные ссылки на технологию «ассемблеров». Королевское общество Великобритании и Королевская инженерная академия также заказали отчет под названием «Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности» [18] относительно более масштабных социальных и экологических последствий нанотехнологий. В этом отчете не обсуждается угроза, которую представляют потенциальные так называемые «молекулярные ассемблеры».
В 2006 году Национальная академия наук США опубликовала отчет об исследовании молекулярного производства (не молекулярных ассемблеров как таковых) в рамках более длинного отчета « Вопрос размера: трехгодичный обзор Национальной нанотехнологической инициативы» [19]. Исследовательский комитет рассмотрел техническое содержание «Наносистем» и в своем заключении заявил, что ни один текущий теоретический анализ не может считаться окончательным в отношении нескольких вопросов потенциальной производительности системы, и что оптимальные пути внедрения высокопроизводительных систем не могут быть предсказаны с уверенностью. Он рекомендует финансировать экспериментальные исследования для создания экспериментальных демонстраций в этой области:
«Хотя теоретические расчеты можно делать сегодня, в конечном итоге достижимый диапазон циклов химических реакций, коэффициенты ошибок, скорость работы и термодинамическая эффективность таких производственных систем снизу вверх не могут быть надежно предсказаны в настоящее время. Таким образом, в конечном итоге достижимое совершенство и сложность производимых продуктов, хотя их можно рассчитать теоретически, не могут быть предсказаны с уверенностью. Наконец, оптимальные пути исследований, которые могут привести к системам, значительно превосходящим термодинамическую эффективность и другие возможности биологических систем, не могут быть надежно предсказаны в настоящее время. 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».
Один из возможных сценариев, который был представлен, — это неконтролируемые самовоспроизводящиеся молекулярные ассемблеры в форме серой слизи , которая потребляет углерод для продолжения своей репликации. Если не контролировать, такая механическая репликация может потенциально поглотить 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 все еще гипотетических технологиях, которые еще не были продемонстрированы экспериментально.
