Справочник вопросов и ответов
QUOR - электронный справочник

Молекулярный ассемблер - Molecular assembler

Тег: Другие предметы
Предлагаемое нанотехнологическое устройство

A молекулярный ассемблер, как определено в K. Эрик Дрекслер, представляет собой «предложенное устройство, способное управлять химическими реакциями путем позиционирования реактивных молекул с атомарной 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 конкретные последовательности аминокислот для конструирования молекул белка. Однако термин «молекулярный ассемблер» обычно относится к теоретическим устройствам, созданным человеком.

A рибосома - это биологическая машина.

Начиная с 2007 года Британский Совет по инженерным и физическим наукам профинансировал разработку подобных рибосомам молекулярных сборщиков. Очевидно, что в этом ограниченном смысле возможны молекулярные ассемблеры. Проект дорожной карты технологий, возглавляемый Battelle Memorial Institute и принимаемый несколькими США. Национальные лаборатории исследовали 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 в течение шести лет для исследований, направленных на механизированный механосинтез, в частности, в партнерстве с Институтом молекулярного производства.

Аналогичным образом, термин «молекулярный ассемблер» использовался в научной фантастике и массовой культуре для обозначения широкого спектра фантастических наномашин, манипулирующих атомами, многие из которых могут быть физически невозможно 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 путем механического позиционирования реакционноспособных 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 самовоспроизводящимися способностями, мобильностью, способностью 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 нанотехнология, 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 помощью искусственной молекулярной машины, которая управляется молекулярной цепью. Это функционирует так же, как белки, строящие рибосомы, путем сборки аминокислот в соответствии с планом информационной РНК. В основе конструкции машины лежит ротаксан, который представляет собой молекулярное кольцо, скользящее по оси молекулы. Кольцо несет группу тиолата, которая последовательно удаляет аминокислоты 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 треку для сборки олигопептида, который может складываться в α-спираль, которая может выполнять энантиоселективное эпоксидирование производное халкона (чем-то 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 на создание любого из четырех разных стереоизомеров молекулярного продукта с помощью наномеханической роботизированной руки для перемещения молекулярного субстрата между различные реактивные центры искусственной молекулярной машины. В сопроводительной статье News and Views под названием «Молекулярный ассемблер» описывается работа молекулярного робота как эффективного прототипа молекулярного ассемблера.

Содержание

  • 1 Нанофабрики
  • 2 Самовоспроизведение
  • 3 Дрекслер и Дебаты Смолли
  • 4 Регламент
  • 5 Официальный научный обзор
  • 6 Серая слизь
  • 7 См. Также
  • 8 Ссылки
  • 9 Внешние ссылки

Нанофабрики

A нанофабрика является предложенная система, в которой наномашины (похожие на молекулярные ассемблеры или промышленные роботы) будут объединять реактивные молекулы посредством механосинтеза для создания более крупных деталей атомарной точности. 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, по мнению К. Эрик Дрекслер опубликовал в «Наносистемах: молекулярные машины, производство и вычисления» (1992) заметную работу «исследовательской инженерии ». В течение 1990-х годов другие исследователи расширили концепцию нанофабрики, включая анализ конвергентной сборки нанофабрики, выполненный Ральфом Мерклом, системный дизайн воспроизводящей архитектуры нанофабрики, выполненный Дж. Storrs Hall, «Универсальный ассемблер», запатентованный процесс экспоненциальной сборки Zyvex и проект систем верхнего уровня для «примитивной нанофабрики» Криса Феникса (директор по исследованиям Центра ответственного Нанотехнологии). Все эти конструкции нанофабрик (и многие другие) суммированы в главе 4 книги «Кинематические самовоспроизводящиеся машины» (2004) Роберта Фрейтаса и Ральфа Меркла. Сотрудничество нанофабрик, основанное Фрейтасом и Меркле в 2000 году, представляет собой целенаправленную постоянную работу, в которой участвуют 23 исследователя из 10 организаций и 4 стран, которые разрабатывают программу практических исследований, специально нацеленную на позиционно-контролируемый механосинтез алмазов и развитие нанофабрики алмазов.

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 споры продолжаются, и некоторые из них резюмируются в статье молекулярная нанотехнология.

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 имело бы небольшой негативный эффект, если бы все нанофабрики. Также можно было бы ожидать больших выгод. Различные произведения научной фантастики исследовали эти и подобные концепции. Потенциал таких устройств был частью крупного исследования в Великобритании, проведенного машиностроением профессором Деймом Энн Доулинг.

Самовоспроизведение

«Молекулярные ассемблеры» были путают 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 самовоспроизведение, конструируя 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 сдерживать саморепликацию молекулярных ассемблеров, это может 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 можно было бы развить из более простых систем, поскольку «сложная система, которая работает, неизменно оказывается развивающейся из простой системы, которая работала... Сложная система, разработанная с нуля, никогда не работает и может не подлежат исправлению, чтобы заставить его работать. Вы должны начать все сначала, начиная с работающей системы ". Однако большинство опубликованных руководств по безопасности включают «рекомендации против разработки... конструкций репликаторов, допускающих сохраняющиеся мутации или претерпевающие эволюцию».

В большинстве проектов ассемблера «исходный код» сохраняется вне физического ассемблера. 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 проектирования репликаторов, недавно опубликованная Фрейтасом и Мерклом, предоставляет многочисленные практические методы, с помощью которых репликаторы могут быть безопасно контролируется хорошим дизайном.

Дебаты Дрекслера и Смолли

Одним из самых откровенных критиков некоторых концепций «молекулярных ассемблеров» был профессор Ричард Смолли (1943–2005), выигравший Нобелевская премия за 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 предположения Дрекслера об апокалиптических опасностях самовоспроизводящихся машин, которые приравниваются к «молекулярным ассемблерам», угрожают общественной поддержке развития нанотехнологий. Чтобы разрешить дебаты между Дрекслером и Смолли относительно молекулярных ассемблеров Chemical Engineering News опубликовали контрапункт, состоящий из обмена письмами, в которых рассматривались проблемы.

Регламент

Спекуляции о силе систем, которые были названы «молекулярными ассемблерами», вызвали широкую политическую дискуссию о значении нанотехнологий. Отчасти это связано с тем, что нанотехнология - это очень широкий термин, который может включать «молекулярные ассемблеры». Обсуждение возможных применений 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 по нанотехнологиям, в котором выражается озабоченность токсичностью наноматериалов, которые были внесены в окружающую среду. Однако в нем даются лишь временные ссылки на «ассемблерную» технологию. Британское Королевское общество и Королевская инженерная академия также заказали отчет под названием «Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности», касающийся более значительных социальных и экологических последствий нанотехнологий. В этом отчете не обсуждается угроза, исходящая от потенциальных так называемых «молекулярных ассемблеров».

Официальный научный обзор

В 2006 году Национальная академия наук США выпустила отчет об исследовании молекулярного производства как часть более длинного отчета A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology. Инициатива Исследовательский комитет рассмотрел техническое содержание наносистем и в своем заключении констатирует, что ни один текущий теоретический анализ не может считаться окончательным в отношении некоторых вопросов потенциальной производительности системы, и что оптимальные пути внедрения высокопроизводительных систем нельзя предсказать с уверенностью. Он рекомендует экспериментальные исследования для углубления знаний в этой области:

«Хотя теоретические расчеты могут быть выполнены сегодня, в конечном итоге достижимый диапазон циклов химических реакций, частота ошибок, скорость работы и термодинамическая эффективность таких восходящие производственные системы не могут быть надежно предсказаны 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 созданию систем которые значительно превышают термодинамическую эффективность, а другие возможности биологических систем в настоящее время невозможно надежно предсказать. Финансирование исследований, основанное на способности исследователей проводить экспериментальные демонстрации, которые связаны с абстрактными моделями и служат долгосрочными ориентирами. видение является наиболее подходящим для достижения этой цели. "

Серая слизь

Один из возможных сценариев, который предполагался, - это не- контролировать 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 вытеснить естественные формы жизни за необходимые ресурсы, такие как углерод, АТФ или УФ свет (на котором работают некоторые примеры наномотора ). Однако сценарии экофагии и «серой слизи», как и синтетические молекулярные ассемблеры, основаны на все еще гипотетических технологиях, которые еще не были продемонстрированы экспериментально.

См. Также

Ссылки

Внешние ссылки

267