Μοριακός συναρμολογητής

Ένας μοριακός συναρμολογητής, όπως ορίζεται από τον K. Eric Drexler, είναι μια "προτεινόμενη συσκευή ικανή να καθοδηγεί χημικές αντιδράσεις τοποθετώντας αντιδρώντα μόρια με ατομική ακρίβεια". Ο μοριακός συναρμολογητής είναι ένα είδος μοριακής μηχανής. Ορισμένα βιολογικά μόρια, όπως τα ριβοσώματα, ταιριάζουν σε αυτόν τον ορισμό. Αυτό συμβαίνει επειδή λαμβάνουν οδηγίες από το αγγελιοφόρο RNA και στη συνέχεια συναρμολογούν συγκεκριμένες αλληλουχίες αμινοξέων για την κατασκευή πρωτεϊνικών μορίων. Ωστόσο, ο όρος "μοριακός συναρμολογητής" αναφέρεται συνήθως σε θεωρητικές συσκευές ανθρώπινης κατασκευής.

Από το 2007, το βρετανικό Συμβούλιο Έρευνας Μηχανικών και Φυσικών Επιστημών χρηματοδότησε την ανάπτυξη μοριακών συναρμολογητών που μοιάζουν με ριβοσώματα. Είναι σαφές ότι οι μοριακοί συναρμολογητές είναι δυνατοί με αυτή την περιορισμένη έννοια. Ένα σχέδιο τεχνολογικού χάρτη πορείας, με επικεφαλής το Ινστιτούτο Battelle Memorial και με τη φιλοξενία διαφόρων Εθνικών Εργαστηρίων των ΗΠΑ, διερεύνησε ένα φάσμα τεχνολογιών κατασκευής ατομικής ακρίβειας, συμπεριλαμβανομένων τόσο των πρώτων γενεών όσο και των μακροπρόθεσμων προοπτικών για προγραμματιζόμενη μοριακή συναρμολόγηση- η έκθεση κυκλοφόρησε τον Δεκέμβριο του 2007. Το 2008 το Συμβούλιο Έρευνας Μηχανικών και Φυσικών Επιστημών παρείχε χρηματοδότηση 1,5 εκατομμυρίου λιρών για έξι έτη για έρευνα που αποσκοπεί στη μηχανοποιημένη μηχανοσύνθεση, σε συνεργασία με το Ινστιτούτο Μοριακής Κατασκευής, μεταξύ άλλων.

Ομοίως, ο όρος "μοριακή συναρμολόγηση" έχει χρησιμοποιηθεί στην επιστημονική φαντασία και τη λαϊκή κουλτούρα για να αναφερθεί σε ένα ευρύ φάσμα φανταστικών νανομηχανών που χειρίζονται άτομα, πολλές από τις οποίες μπορεί να είναι φυσικά αδύνατες στην πραγματικότητα. Μεγάλο μέρος της διαμάχης σχετικά με τους "μοριακούς συναρμολογητές" προκύπτει από τη σύγχυση στη χρήση του ονόματος τόσο για τεχνικές έννοιες όσο και για δημοφιλείς φαντασιώσεις. Το 1992, ο Drexler εισήγαγε τον συναφή αλλά καλύτερα κατανοητό όρο "μοριακή κατασκευή", τον οποίο όρισε ως την προγραμματισμένη "χημική σύνθεση πολύπλοκων δομών με μηχανική τοποθέτηση αντιδραστικών μορίων, όχι με χειρισμό μεμονωμένων ατόμων".

Το παρόν άρθρο πραγματεύεται κυρίως τους "μοριακούς συναρμολογητές" με τη δημοφιλή έννοια. Σε αυτές περιλαμβάνονται υποθετικές μηχανές που χειρίζονται μεμονωμένα άτομα και μηχανές με ικανότητες αυτοαναπαραγωγής που μοιάζουν με οργανισμούς, κινητικότητα, ικανότητα κατανάλωσης τροφής κ.ο.κ. Αυτές είναι αρκετά διαφορετικές από συσκευές που απλώς (όπως ορίζεται παραπάνω) "καθοδηγούν χημικές αντιδράσεις τοποθετώντας αντιδρώντα μόρια με ατομική ακρίβεια".

Επειδή συνθετικοί μοριακοί συναρμολογητές δεν έχουν ποτέ κατασκευαστεί και λόγω της σύγχυσης σχετικά με την έννοια του όρου, έχει υπάρξει μεγάλη διαμάχη σχετικά με το αν οι "μοριακοί συναρμολογητές" είναι δυνατοί ή απλώς επιστημονική φαντασία. Η σύγχυση και η διαμάχη οφείλονται επίσης στην κατάταξή τους στη νανοτεχνολογία, η οποία είναι ένας ενεργός τομέας εργαστηριακής έρευνας που έχει ήδη εφαρμοστεί στην παραγωγή πραγματικών προϊόντων- ωστόσο, μέχρι πρόσφατα, δεν είχαν γίνει ερευνητικές προσπάθειες για την πραγματική κατασκευή "μοριακών συναρμολογητών".

Παρ' όλα αυτά, μια εργασία του 2013 από την ομάδα του David Leigh, που δημοσιεύθηκε στο περιοδικό Science, περιγράφει λεπτομερώς μια νέα μέθοδο σύνθεσης ενός πεπτιδίου με τρόπο που να προσδιορίζει την αλληλουχία, χρησιμοποιώντας μια τεχνητή μοριακή μηχανή που καθοδηγείται από ένα μοριακό σκέλος. Αυτό λειτουργεί με τον ίδιο τρόπο που ένα ριβόσωμα κατασκευάζει πρωτεΐνες συναρμολογώντας αμινοξέα σύμφωνα με ένα σχέδιο αγγελιοφόρου RNA. Η δομή της μηχανής βασίζεται σε ένα ροταξάνιο, το οποίο είναι ένας μοριακός δακτύλιος που ολισθαίνει κατά μήκος ενός μοριακού άξονα. Ο δακτύλιος φέρει μια θειολική ομάδα η οποία αφαιρεί τα αμινοξέα κατά σειρά από τον άξονα, μεταφέροντάς τα σε μια θέση συναρμολόγησης πεπτιδίων. Το 2018, η ίδια ομάδα δημοσίευσε μια πιο εξελιγμένη εκδοχή αυτής της έννοιας, στην οποία ο μοριακός δακτύλιος μετακινείται κατά μήκος μιας πολυμερικής τροχιάς για να συναρμολογήσει ένα ολιγοπεπτίδιο που μπορεί να αναδιπλωθεί σε α-έλικας που μπορεί να εκτελέσει την εναντιοεκλεκτική εποξείδωση ενός παραγώγου χαλκόνης (με τρόπο που θυμίζει το ριβόσωμα που συναρμολογεί ένα ένζυμο). Σε μια άλλη εργασία που δημοσιεύθηκε στο Science τον Μάρτιο του 2015, χημικοί του Πανεπιστημίου του Ιλινόις αναφέρουν μια πλατφόρμα που αυτοματοποιεί τη σύνθεση 14 κατηγοριών μικρών μορίων, με χιλιάδες συμβατές δομικές μονάδες.

Το 2017 η ομάδα του David Leigh ανέφερε ένα μοριακό ρομπότ που μπορεί να προγραμματιστεί για να κατασκευάσει οποιοδήποτε από τα τέσσερα διαφορετικά στερεοϊσομερή ενός μοριακού προϊόντος, χρησιμοποιώντας έναν νανομηχανικό ρομποτικό βραχίονα για να μετακινήσει ένα μοριακό υπόστρωμα μεταξύ διαφορετικών αντιδραστικών θέσεων μιας τεχνητής μοριακής μηχανής. Ένα συνοδευτικό άρθρο του News and Views, με τίτλο "Ένας μοριακός συναρμολογητής", περιέγραφε τη λειτουργία του μοριακού ρομπότ ως ουσιαστικά ενός πρωτότυπου μοριακού συναρμολογητή.

Νανοεργοστάσια 

Ένα νανοεργοστάσιο είναι ένα προτεινόμενο σύστημα στο οποίο οι νανομηχανές (που μοιάζουν με μοριακούς συναρμολογητές ή βιομηχανικούς ρομποτικούς βραχίονες) θα συνδυάζουν αντιδραστικά μόρια μέσω της μηχανοσύνθεσης για να κατασκευάζουν μεγαλύτερα ατομικά ακριβή μέρη. Αυτά, με τη σειρά τους, θα συναρμολογούνταν με μηχανισμούς τοποθέτησης διαφόρων μεγεθών για την κατασκευή μακροσκοπικών (ορατών) αλλά ακόμα ατομικά ακριβών προϊόντων.

Ένα τυπικό νανοεργοστάσιο θα χωρούσε σε ένα επιτραπέζιο κουτί, σύμφωνα με το όραμα του K. Eric Drexler που δημοσιεύθηκε στο Nanosystems: (1992), ένα αξιοσημείωτο έργο "διερευνητικής μηχανικής". Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1990, άλλοι επέκτειναν την έννοια του νανοεργοστασίου, συμπεριλαμβανομένης μιας ανάλυσης της συγκλίνουσας συναρμολόγησης του νανοεργοστασίου από τον Ralph Merkle, ενός σχεδιασμού συστημάτων μιας αρχιτεκτονικής αντιγραφής του νανοεργοστασίου από τον J. Storrs Hall, του "Universal Assembler" του Forrest Bishop, της κατοχυρωμένης με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας εκθετικής διαδικασίας συναρμολόγησης από την Zyvex, και ενός σχεδιασμού συστημάτων υψηλού επιπέδου για ένα "πρωτόγονο νανοεργοστάσιο" από τον Chris Phoenix (διευθυντής έρευνας στο Κέντρο για την Υπεύθυνη Νανοτεχνολογία). Όλα αυτά τα σχέδια νανοεργοστασίου (και άλλα) συνοψίζονται στο κεφάλαιο 4 του βιβλίου Kinematic Self-Replicating Machines (2004) των Robert Freitas και Ralph Merkle. Η Nanofactory Collaboration, η οποία ιδρύθηκε από τους Freitas και Merkle το 2000, είναι μια εστιασμένη συνεχής προσπάθεια στην οποία συμμετέχουν 23 ερευνητές από 10 οργανισμούς και 4 χώρες και η οποία αναπτύσσει ένα πρακτικό ερευνητικό πρόγραμμα που στοχεύει ειδικά στη μηχανοσύνθεση διαμαντιών με ελεγχόμενη θέση και στην ανάπτυξη νανοκατασκευών διαμαντοειδών.

Το 2005, ο John Burch, σε συνεργασία με τον Drexler, δημιούργησε μια ταινία μικρού μήκους με ηλεκτρονικό κινούμενο σχέδιο του νανοεργοστασίου. Τέτοια οράματα αποτέλεσαν αντικείμενο πολλών συζητήσεων, σε διάφορα πνευματικά επίπεδα. Κανείς δεν έχει ανακαλύψει ένα ανυπέρβλητο πρόβλημα με τις υποκείμενες θεωρίες και κανείς δεν έχει αποδείξει ότι οι θεωρίες μπορούν να μεταφραστούν στην πράξη. Ωστόσο, η συζήτηση συνεχίζεται, με μέρος της να συνοψίζεται στο άρθρο για τη μοριακή νανοτεχνολογία.

Αν μπορούσαν να κατασκευαστούν νανοβιομηχανίες, η σοβαρή διαταραχή της παγκόσμιας οικονομίας θα ήταν μία από τις πολλές πιθανές αρνητικές επιπτώσεις, αν και θα μπορούσε να υποστηριχθεί ότι η διαταραχή αυτή θα είχε ελάχιστες αρνητικές επιπτώσεις αν όλοι διέθεταν τέτοιες νανοβιομηχανίες. Θα αναμένονταν επίσης μεγάλα οφέλη. Διάφορα έργα επιστημονικής φαντασίας έχουν διερευνήσει αυτές και παρόμοιες έννοιες. Οι δυνατότητες τέτοιων συσκευών ήταν μέρος της εντολής μιας μεγάλης βρετανικής μελέτης με επικεφαλής την καθηγήτρια μηχανολογίας Dame Ann Dowling.

Αυτοαναπαραγωγή 

Οι "μοριακοί συναρμολογητές" έχουν συγχέεται με τις αυτοαναπαραγόμενες μηχανές. Για την παραγωγή μιας πρακτικής ποσότητας ενός επιθυμητού προϊόντος, το μέγεθος της νανοκλίμακας ενός τυπικού παγκόσμιου μοριακού συναρμολογητή επιστημονικής φαντασίας απαιτεί έναν εξαιρετικά μεγάλο αριθμό τέτοιων συσκευών. Ωστόσο, ένας μόνο τέτοιος θεωρητικός μοριακός συναρμολογητής θα μπορούσε να προγραμματιστεί να αυτοαναπαράγεται, κατασκευάζοντας πολλά αντίγραφα του εαυτού του. Αυτό θα επέτρεπε έναν εκθετικό ρυθμό παραγωγής. Στη συνέχεια, αφού υπάρξουν επαρκείς ποσότητες μοριακών συναρμολογητών, θα μπορούσαν να επαναπρογραμματιστούν για την παραγωγή του επιθυμητού προϊόντος. Ωστόσο, εάν η αυτοαναπαραγωγή των μοριακών συναρμολογητών δεν περιοριζόταν, τότε θα μπορούσε να οδηγήσει σε ανταγωνισμό με τους φυσικούς οργανισμούς. Αυτό έχει ονομαστεί οικοφαγία ή πρόβλημα της γκρίζας γκάμας.

Μια μέθοδος για την κατασκευή μοριακών συναρμολογητών είναι η μίμηση των εξελικτικών διαδικασιών που χρησιμοποιούν τα βιολογικά συστήματα. Η βιολογική εξέλιξη εξελίσσεται με τυχαία παραλλαγή σε συνδυασμό με την απομάκρυνση των λιγότερο επιτυχημένων παραλλαγών και την αναπαραγωγή των πιο επιτυχημένων παραλλαγών. Η παραγωγή πολύπλοκων μοριακών συναρμολογητών θα μπορούσε να εξελιχθεί από απλούστερα συστήματα, αφού "ένα πολύπλοκο σύστημα που λειτουργεί, βρίσκεται πάντα ότι έχει εξελιχθεί από ένα απλό σύστημα που λειτουργούσε. . . Ένα πολύπλοκο σύστημα που σχεδιάστηκε από το μηδέν δεν λειτουργεί ποτέ και δεν μπορεί να επιδιορθωθεί για να λειτουργήσει. Πρέπει να ξεκινήσετε από την αρχή, ξεκινώντας από ένα σύστημα που λειτουργεί". Ωστόσο, οι περισσότερες δημοσιευμένες οδηγίες ασφαλείας περιλαμβάνουν "συστάσεις κατά της ανάπτυξης ... σχεδίων αντιγραφέων που επιτρέπουν την επιβίωση μεταλλάξεων ή την εξέλιξη".

Τα περισσότερα σχέδια συναρμολογητών διατηρούν τον "πηγαίο κώδικα" εκτός του φυσικού συναρμολογητή. Σε κάθε βήμα μιας διαδικασίας κατασκευής, το βήμα αυτό διαβάζεται από ένα συνηθισμένο αρχείο υπολογιστή και "μεταδίδεται" σε όλους τους συναρμολογητές. Εάν κάποιος συναρμολογητής βρεθεί εκτός εμβέλειας του συγκεκριμένου υπολογιστή, ή όταν διακοπεί η σύνδεση μεταξύ του συγκεκριμένου υπολογιστή και των συναρμολογητών, ή όταν ο συγκεκριμένος υπολογιστής αποσυνδεθεί από την πρίζα, οι συναρμολογητές σταματούν να αναπαράγονται. Μια τέτοια "αρχιτεκτονική μετάδοσης" είναι ένα από τα χαρακτηριστικά ασφαλείας που συνιστώνται από τις "Κατευθυντήριες γραμμές Foresight για τη μοριακή νανοτεχνολογία", και ένας χάρτης του χώρου σχεδιασμού των αντιγραφέων 137 διαστάσεων που δημοσιεύθηκε πρόσφατα από τους Freitas και Merkle παρέχει πολυάριθμες πρακτικές μεθόδους με τις οποίες οι αντιγραφείς μπορούν να ελέγχονται με ασφάλεια με καλό σχεδιασμό.

Drexler and Smalley debate 

Ένας από τους πιο ειλικρινείς επικριτές ορισμένων εννοιών των "μοριακών συναρμολογητών" ήταν ο καθηγητής Richard Smalley (1943-2005), ο οποίος κέρδισε το βραβείο Νόμπελ για τη συμβολή του στον τομέα της νανοτεχνολογίας. Ο Smalley πίστευε ότι τέτοιου είδους συναρμολογητές δεν ήταν φυσικά δυνατοί και εισήγαγε επιστημονικές αντιρρήσεις εναντίον τους. Οι δύο κύριες τεχνικές αντιρρήσεις του ονομάστηκαν "πρόβλημα των χοντρών δακτύλων" και "πρόβλημα των κολλώδων δακτύλων". Πίστευε ότι αυτά θα απέκλειαν τη δυνατότητα "μοριακών συναρμολογητών" που θα λειτουργούσαν με την ακριβή επιλογή και τοποθέτηση μεμονωμένων ατόμων. Ο Drexler και οι συνεργάτες του απάντησαν σε αυτά τα δύο ζητήματα σε μια δημοσίευση του 2001.

Ο Smalley πίστευε επίσης ότι οι εικασίες του Drexler σχετικά με τους αποκαλυπτικούς κινδύνους των αυτοαναπαραγόμενων μηχανών που έχουν εξομοιωθεί με τους "μοριακούς συναρμολογητές" θα απειλούσαν τη δημόσια υποστήριξη για την ανάπτυξη της νανοτεχνολογίας. Για να αντιμετωπιστεί η συζήτηση μεταξύ του Drexler και του Smalley σχετικά με τους μοριακούς συναρμολογητές, το Chemical & Engineering News δημοσίευσε ένα σημείο-αντίλογο που αποτελούνταν από μια ανταλλαγή επιστολών που ασχολήθηκαν με τα θέματα.

Ρύθμιση 

Οι εικασίες σχετικά με τη δύναμη των συστημάτων που έχουν ονομαστεί "μοριακοί συναρμολογητές" πυροδότησαν μια ευρύτερη πολιτική συζήτηση σχετικά με τις επιπτώσεις της νανοτεχνολογίας. Αυτό οφείλεται εν μέρει στο γεγονός ότι η νανοτεχνολογία είναι ένας πολύ ευρύς όρος και θα μπορούσε να συμπεριλάβει τους "μοριακούς συναρμολογητές". Η συζήτηση για τις πιθανές επιπτώσεις των φανταστικών μοριακών συναρμολογητών έχει προκαλέσει εκκλήσεις για ρύθμιση της τρέχουσας και της μελλοντικής νανοτεχνολογίας. Υπάρχουν πολύ πραγματικές ανησυχίες σχετικά με τις πιθανές επιπτώσεις της νανοτεχνολογίας στην υγεία και την οικολογία που ενσωματώνεται στα παραγόμενα προϊόντα. Η Greenpeace, για παράδειγμα, ανέθεσε μια έκθεση σχετικά με τη νανοτεχνολογία στην οποία εκφράζει την ανησυχία της για την τοξικότητα των νανοϋλικών που έχουν εισαχθεί στο περιβάλλον. Ωστόσο, κάνει μόνο περαστικές αναφορές στην τεχνολογία "συναρμολόγησης". Η Βασιλική Εταιρεία του Ηνωμένου Βασιλείου και η Βασιλική Ακαδημία Μηχανικής ανέθεσαν επίσης μια έκθεση με τίτλο "Νανοεπιστήμη και νανοτεχνολογίες: ευκαιρίες και αβεβαιότητες" σχετικά με τις ευρύτερες κοινωνικές και οικολογικές επιπτώσεις της νανοτεχνολογίας. Η έκθεση αυτή δεν εξετάζει την απειλή που συνιστούν οι δυνητικοί λεγόμενοι "μοριακοί συναρμολογητές".

Επίσημη επιστημονική ανασκόπηση 

Το 2006, η Εθνική Ακαδημία Επιστημών των ΗΠΑ δημοσίευσε την έκθεση μιας μελέτης για τη μοριακή κατασκευή ως μέρος μιας μεγαλύτερης έκθεσης με τίτλο "A Matter of Size": Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative Η επιτροπή μελέτης εξέτασε το τεχνικό περιεχόμενο των Νανοσυστημάτων και στο συμπέρασμά της αναφέρει ότι καμία τρέχουσα θεωρητική ανάλυση δεν μπορεί να θεωρηθεί οριστική όσον αφορά διάφορα ζητήματα δυνητικής απόδοσης του συστήματος και ότι οι βέλτιστες διαδρομές για την εφαρμογή συστημάτων υψηλής απόδοσης δεν μπορούν να προβλεφθούν με βεβαιότητα. Συνιστά πειραματική έρευνα για την προώθηση της γνώσης στον τομέα αυτό:

"Αν και σήμερα μπορούν να γίνουν θεωρητικοί υπολογισμοί, το τελικά εφικτό εύρος των κύκλων χημικών αντιδράσεων, τα ποσοστά σφάλματος, η ταχύτητα λειτουργίας και η θερμοδυναμική απόδοση τέτοιων συστημάτων κατασκευής από κάτω προς τα πάνω δεν μπορούν να προβλεφθούν αξιόπιστα προς το παρόν. Έτσι, η τελικά επιτεύξιμη τελειότητα και πολυπλοκότητα των κατασκευασμένων προϊόντων, ενώ μπορούν να υπολογιστούν θεωρητικά, δεν μπορούν να προβλεφθούν με βεβαιότητα. Τέλος, τα βέλτιστα ερευνητικά μονοπάτια που θα μπορούσαν να οδηγήσουν σε συστήματα που υπερβαίνουν κατά πολύ τις θερμοδυναμικές αποδόσεις και άλλες δυνατότητες των βιολογικών συστημάτων δεν μπορούν να προβλεφθούν αξιόπιστα προς το παρόν. Η χρηματοδότηση της έρευνας που βασίζεται στην ικανότητα των ερευνητών να παράγουν πειραματικές επιδείξεις που συνδέονται με αφηρημένα μοντέλα και καθοδηγούν το μακροπρόθεσμο όραμα είναι η πλέον κατάλληλη για την επίτευξη αυτού του στόχου."

Grey goo 

Ένα πιθανό σενάριο που έχει οραματιστεί είναι οι εκτός ελέγχου αυτοαναπαραγόμενοι μοριακοί συναρμολογητές με τη μορφή γκρίζας γλίτσας, οι οποίοι καταναλώνουν άνθρακα για να συνεχίσουν την αναπαραγωγή τους. Αν δεν ελεγχθεί, μια τέτοια μηχανική αντιγραφή θα μπορούσε δυνητικά να καταναλώσει ολόκληρες οικοπεριοχές ή ολόκληρη τη Γη (οικοφαγία), ή θα μπορούσε απλώς να ανταγωνίζεται τις φυσικές μορφές ζωής για τους απαραίτητους πόρους, όπως ο άνθρακας, το ΑΤΡ ή το υπεριώδες φως (με το οποίο λειτουργούν ορισμένα παραδείγματα νανοκινητήρων). Ωστόσο, τα σενάρια της οικοφαγίας και της "γκρίζας γκάμας", όπως και οι συνθετικοί μοριακοί συναρμολογητές, βασίζονται σε υποθετικές τεχνολογίες που δεν έχουν ακόμη αποδειχθεί πειραματικά.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι 

Molecular Dynamics Studio (2016) free open-source multi-scale modeling and simulation program for nano-composites with special support for structural DNA nanotechnology (originally Nanoengineer-1 by Nanorex)
Nano-Hive: Nanospace Simulator (2006) free software for modeling nanotech entities
Foresight Guidelines for Responsible Nanotechnology Development (2006)  of molecular manufacturing technologies
Center for Responsible Nanotechnology (2008)
Molecular Assembler website (2008)
Rage Against the (Green) Machine (2003) in Wired
Government launches nano study UK EducationGuardian, 11 June 2003
Unraveling the Big Debate over Small Machines (2004) from BetterHumans.com
Design considerations for an assembler (1995) by Ralph Merkle
Kinematic Self-Replicating Machines — online technical book: first comprehensive survey of molecular assemblers (2004) by Robert Freitas and Ralph Merkle
Design of a Primitive Nanofactory (2003)
Video - Nanofactory in Action (2006)
Nanofactory technology
Review of Molecular Manufacturing
Integrated Nanosystems for Atomically Precise Manufacturing — United States Department of Energy Workshop – August 5–6, 2015

Νανοτεχνολογία
Αναδυόμενες τεχνολογίες