Molekulaarne assembler

Molekulaarne assembler ehk molekulaarassambleerija on Eric Drexleri määratluse kohaselt on "kavandatud seade, mis suudab juhtida keemilisi reaktsioone, paigutades reaktiivseid molekule aatomi täpsusega". Molekulaarassembler on omamoodi molekulaarmasin. Mõned bioloogilised molekulid, näiteks ribosoomid, vastavad sellele määratlusele. Seda seetõttu, et nad saavad juhiseid sõnumitooja RNA-lt ja seejärel panevad kokku spetsiifilisi aminohapete järjestusi, et ehitada valgumolekule. Mõiste "molekulaarassambleerija" viitab tavaliselt siiski teoreetilistele inimtekkelistele seadmetele.
Alates 2007. aastast on Briti inseneriteaduste ja füüsikauuringute nõukogu rahastanud ribosoomisarnaste molekulaarsete assemblerite arendamist. On selge, et molekulaarsed assemblerid on selles piiratud tähenduses võimalikud. Battelle Memorial Institute'i juhitud ja mitme USA riikliku laboratooriumi korraldatud tehnoloogia tegevuskava projektis on uuritud mitmesuguseid aatomitähtsaid valmistustehnoloogiaid, sealhulgas nii varase põlvkonna kui ka pikemaajalisi programmeeritava molekulaarse koostamise väljavaateid; aruanne avaldati 2007. aasta detsembris. 2008. aastal rahastas inseneriteaduste ja füüsikauuringute nõukogu 1,5 miljoni naela ulatuses kuue aasta jooksul mehhaniseeritud mehhanosünteesi alaseid teadusuuringuid, muu hulgas koostöös Institute for Molecular Manufacturingiga (molekulaarse tootmise instituut).
Samamoodi on terminit "molekulaarassembler" kasutatud ulmes ja popkultuuris, et viidata mitmesugustele fantastilistele aatomit manipuleerivatele nanomasinatele, millest paljud võivad olla tegelikkuses füüsiliselt võimatud. Suur osa "molekulaarassembleritega" seotud vastuoludest tuleneb sellest, et seda nimetust kasutatakse segi ajades nii tehniliste kontseptsioonide kui ka populaarsete fantaasiate puhul. Drexler võttis 1992. aastal kasutusele sellega seotud, kuid paremini mõistetava termini "molekulaarne tootmine", mida ta defineeris kui programmeeritud "keeruliste struktuuride keemilist sünteesi mehaaniliselt reageerivate molekulide paigutamise, mitte üksikute aatomite manipuleerimise teel".
Käesolevas artiklis käsitletakse peamiselt "molekulaarseid monteerimisseadmeid" selle üldlevinud tähenduses. Nende hulka kuuluvad hüpoteetilised masinad, mis manipuleerivad üksikuid aatomeid, ja masinad, millel on organismilaadsed isekordistumisvõimed, liikuvus, võime tarbida toitu jne. Need on täiesti erinevad seadmetest, mis lihtsalt (nagu eespool määratletud) "juhivad keemilisi reaktsioone, paigutades reaktiivseid molekule aatomi täpsusega".
Kuna sünteetilisi molekulaarassambleereid ei ole kunagi konstrueeritud ja kuna mõiste tähendus on segane, on olnud palju vaidlusi selle üle, kas "molekulaarassamblerid" on võimalikud või lihtsalt ulme. Segadus ja vaidlused tulenevad ka nende liigitamisest nanotehnoloogiasse, mis on aktiivne laboratoorsete uuringute valdkond, mida on juba rakendatud reaalsete toodete valmistamiseks; siiski ei ole kuni viimase ajani tehtud mingeid teadusuuringuid "molekulaarsete assemblerite" tegeliku ehitamise kohta.
Sellegipoolest kirjeldab David Leigh' töörühma 2013. aastal ajakirjas Science avaldatud artikkel üksikasjalikult uut meetodit, mille abil sünteesitakse peptiidi järjestusspetsiifiliselt, kasutades selleks kunstlikku molekulaarmasinat, mida juhitakse molekulaarahela abil. See toimib samamoodi nagu ribosoom, mis ehitab valke, koostades aminohappeid vastavalt sõnumitooja RNA plaanile. Masina struktuuri aluseks on rotaxane, mis on mööda molekulaartelge libisev molekularõngas. Rõngas kannab tiolaatrühma, mis eemaldab telgilt järjestikku aminohappeid, viies need peptiidide kokkupanekukohta. 2018. aastal avaldas sama töörühm selle kontseptsiooni arenenuma versiooni, milles molekulaarrõngas pendeldab mööda polümeerset rada, et monteerida oligopeptiid, mis võib voltida α-spiraaliks, mis suudab teostada kalkoonderivaadi enantioselektiivset epoksüdeerimist (viisil, mis meenutab ensüümi monteerivat ribosoomi). Teises 2015. aasta märtsis ajakirjas Science avaldatud artiklis teatasid Illinoisi ülikooli keemikud platvormist, mis automatiseerib 14 klassi väikemolekulide sünteesi tuhandete ühilduvate ehitusplokkide abil.
2017. aastal teatas David Leigh' töörühm molekulaarrobotist, mida saab programmeerida molekulaarse toote mis tahes ühe neljast erinevast stereoisomeerist konstrueerimiseks, kasutades selleks nanomehaanilist robotkätt, mis liigutab molekulaarset substraati kunstliku molekulaarmasinas erinevate reaktiivsete kohtade vahel. Kaasnevas News and Views artiklis pealkirjaga "A molecular assembler" kirjeldati molekulaarroboti kui molekulaarse assembleri toimimise prototüüpi.
Nanotehased.
Nanotehas on kavandatud süsteem, milles nanomasinad (mis sarnanevad molekulaarassemblerite või tööstuslike robotkäte vahel) ühendaksid reaktiivseid molekule mehhanosünteesi abil, et ehitada suuremaid aatomitähtsaid osi. Need omakorda pannakse kokku eri suuruste mehhanismide abil, et luua makroskoopilisi (nähtavaid), kuid siiski aatomitähtsaid tooteid.
K. Eric Drexleri Nanosystems'is avaldatud visioonis mahub tüüpiline nanotehas lauaarvuti kasti: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992), mis on tähelepanuväärne "uurimuslik inseneriteos". 1990. aastatel on nanotehase kontseptsiooni laiendanud ka teised, sealhulgas Ralph Merkle'i analüüs nanotehase konvergentse kokkupaneku kohta, J. Storrs Halli replitseeriva nanotehase arhitektuuri süsteemidisain, Forrest Bishopi "Universal Assembler", Zyvexi patenteeritud eksponentsiaalne kokkupanekuprotsess ja Chris Phoenixi (vastutustundliku nanotehnoloogia keskuse teadusdirektor) "primitiivse nanotehase" tipptasemel süsteemidisain. Kõik need nanotehase projektid (ja muud) on kokku võetud Robert Freitas' ja Ralph Merkle'i raamatu "Kinematic Self-Replicating Machines" (2004) 4. peatükis. Nanofactory Collaboration, mille Freitas ja Merkle asutasid 2000. aastal, on sihipärane jätkuv jõupingutus, milles osaleb 23 teadlast 10 organisatsioonist ja 4 riigist, kes töötavad välja praktilist teadusuuringute kava, mis on suunatud konkreetselt teemantmehaanosünteesi ja teemantoid-nanofactory arendamisele.
2005. aastal koostas John Burch koostöös Drexleriga arvutianimatsiooniga lühifilmi nanotehase kontseptsioonist. Selliste visioonide üle on palju arutatud mitmel intellektuaalsel tasandil. Keegi ei ole avastanud ületamatut probleemi nende aluseks olevate teooriate puhul ja keegi ei ole tõestanud, et neid teooriaid oleks võimalik praktikas rakendada. Siiski jätkub arutelu, millest osa on kokkuvõtlikult esitatud artiklis "Molekulaarne nanotehnoloogia".
Kui nanotehaseid saaks ehitada, oleks tõsine häire maailmamajanduses üks paljudest võimalikest negatiivsetest mõjudest, kuigi võib väita, et see häire oleks väikese negatiivse mõjuga, kui kõigil oleksid sellised nanotehased. Samuti oleks oodata suurt kasu. Neid ja sarnaseid kontseptsioone on käsitletud ulmeteostes. Selliste seadmete potentsiaal oli osa Ühendkuningriigi suurest uuringust, mida juhtis masinaehituse professor Dame Ann Dowling.
Enesereplikatsioon.
"Molekulaarseid assambleerijad" on segi aetud isekordistuvate masinatega. Selleks, et toota praktilises koguses soovitud toodet, on nanoskaala suuruses tüüpiliste ulme universaalsete molekulaarsete assemblerite tootmiseks vaja äärmiselt suurt arvu selliseid seadmeid. Kuid üks selline teoreetiline molekulaarassembler võib olla programmeeritud isekordistuma, ehitades endast palju koopiaid. See võimaldaks tootmise eksponentsiaalset kiirust. Kui molekulaarseid koosteaparaate on piisavalt palju, siis programmeeritakse need ümber soovitud toote tootmiseks. Kui aga molekulaarsete koosteelementide enesepiljundamist ei piirataks, siis võib see põhjustada konkurentsi looduslikult esinevate organismidega. Seda on nimetatud ökofaagia või halli mulla probleemiks.
Üks meetod molekulaarsete assemblerite ehitamiseks on jäljendada bioloogilistes süsteemides kasutatavaid evolutsioonilisi protsesse. Bioloogiline evolutsioon toimub juhusliku muutumise teel, mis on ühendatud vähem edukate variantide väljapüüdmisega ja edukamate variantide paljunemisega. Keerukate molekulaarsete koosteüksuste tootmine võib olla arenenud lihtsamatest süsteemidest, sest "alati leitakse, et toimiv keerukas süsteem on arenenud lihtsast toimivast süsteemist. Kompleksne süsteem, mis on loodud nullist, ei tööta kunagi ja seda ei saa lappida, et see töötaks. Tuleb alustada otsast peale, alustades toimivast süsteemist." Siiski sisaldab enamik avaldatud ohutusjuhiseid "soovitusi mitte arendada ... replikaatorite konstruktsioone, mis võimaldavad ellu jääda mutatsiooni või läbida evolutsiooni".
Enamik assembleri disainilahendusi hoiab "lähtekoodi" füüsilisest assemblerist väljaspool. Tootmisprotsessi iga sammu puhul loetakse see samm tavalisest arvutifailist ja "edastatakse" kõigile assembleritele. Kui mõni assembler satub selle arvuti levialast välja või kui ühendus selle arvuti ja assemblerite vahel katkeb või kui see arvuti eemaldatakse, lõpetavad assemblerid replikatsiooni. Selline "ülekandearhitektuur" on üks ohutusfunktsioonidest, mida soovitatakse "Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology" (Molekulaarse nanotehnoloogia suunised), ning Freitas ja Merkle'i hiljuti avaldatud 137-mõõtmelise replikaatorite disainiruumi kaart pakub mitmeid praktilisi meetodeid, mille abil saab replikaatoreid hea disaini abil ohutult kontrollida.
Drexleri ja Smalley arutelu.
Üks kõige otsekohesemaid kriitikuid mõnede "molekulaarsete assambleerijate" kontseptsioonide suhtes oli professor Richard Smalley (1943–2005), kes sai Nobeli auhinna oma panuse eest nanotehnoloogia valdkonnas. Smalley uskus, et sellised assemblerid ei ole füüsiliselt võimalikud, ja esitas neile teaduslikke vastuväiteid. Tema kaks peamist tehnilist vastuväidet nimetati "rasvasõrmede probleemiks" ja "kleepuvate sõrmede probleemiks". Ta uskus, et need välistavad "molekulaarassemblerite" võimaluse, mis töötavad üksikute aatomite täpse valimise ja paigutamise teel. Drexler ja kolleegid vastasid nendele kahele probleemile 2001. aasta publikatsioonis.
Smalley uskus ka, et Drexleri spekulatsioonid "molekulaarsete assembleritega" võrdsustatud isekordistuvate masinate apokalüptiliste ohtude kohta ohustavad avalikkuse toetust nanotehnoloogia arendamisele. Drexleri ja Smalley vahelise molekulaarsete assemblerite üle peetud debati käsitlemiseks avaldas Chemical &amp; Engineering News punkt- ja vastukirjade vahetusest koosneva vastukirja, milles käsitleti neid küsimusi.
Reguleerimine.
Spekulatsioonid "molekulaarseteks assembleriteks" nimetatud süsteemide võimsuse üle on tekitanud laiema poliitilise arutelu nanotehnoloogia mõjude üle. See on osaliselt tingitud asjaolust, et nanotehnoloogia on väga lai mõiste ja võib hõlmata ka "molekulaarseid koosteaparaate". Arutelu fantastiliste molekulaarsete koostajate võimalike tagajärgede üle on kutsunud üles reguleerima praegust ja tulevast nanotehnoloogiat. On väga reaalne mure seoses nanotehnoloogia võimaliku tervise- ja keskkonnamõjuga, mida toodangusse integreeritakse. Näiteks Greenpeace tellis nanotehnoloogiat käsitleva aruande, milles nad väljendavad muret keskkonda sattunud nanomaterjalide toksilisuse pärast. Selles viidatakse siiski vaid möödaminnes "assembler-tehnoloogiale". Ühendkuningriigi Kuninglik Kuninglik Ühing ja Kuninglik Inseneride Akadeemia tellisid samuti aruande "Nanoteadus ja nanotehnoloogiad: võimalused ja ebakindlus", mis käsitleb nanotehnoloogia ulatuslikumaid sotsiaalseid ja ökoloogilisi mõjusid. Selles aruandes ei käsitleta potentsiaalsete nn molekulaarsete assemblerite tekitatud ohtu.
Ametlik teaduslik ülevaade.
2006. aastal avaldas USA Riiklik Teaduste Akadeemia molekulaarse tootmise uuringu aruande osana pikemast aruandest "A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative Uuringukomisjon vaatas läbi nanosüsteemide tehnilise sisu ja märgib oma järeldustes, et ühtegi praegust teoreetilist analüüsi ei saa pidada lõplikuks seoses mitmete võimalike süsteemide jõudluse küsimustega ning et optimaalseid teid suure jõudlusega süsteemide rakendamiseks ei saa kindlalt ennustada. Komitee soovitab eksperimentaalseid uuringuid, et edendada teadmisi selles valdkonnas:
"Kuigi teoreetilisi arvutusi saab praegu teha, ei saa praegu usaldusväärselt ennustada selliste alt-üles tootmissüsteemide keemiliste reaktsioonitsüklite, veamäärade, töö kiiruse ja termodünaamilise efektiivsuse lõppkokkuvõttes saavutatavat vahemikku. Seega ei saa kindlalt ennustada valmistatavate toodete lõpuks saavutatavat täiuslikkust ja keerukust, kuigi neid saab teoreetiliselt arvutada. Lõpuks ei saa praegu usaldusväärselt ennustada optimaalseid uurimisviise, mis võivad viia süsteemide juurde, mis ületavad oluliselt bioloogiliste süsteemide termodünaamilist tõhusust ja muid võimeid. Selle eesmärgi saavutamiseks on kõige sobivam teadusuuringute rahastamine, mis põhineb uurijate suutlikkusel esitada eksperimentaalseid demonstratsioone, mis on seotud abstraktsete mudelitega ja suunavad pikaajalist visiooni."
Grey goo.
Üks võimalik stsenaarium, mida on ette kujutatud, on kontrolli alt väljunud isekordistuvad molekulaarsed assambleed halli plöga kujul, mis tarbib süsinikku, et jätkata oma paljunemist. Kontrollimatult võib selline mehaaniline replikatsioon potentsiaalselt tarbida terveid ökoregioone või kogu Maad (ökofaagia) või lihtsalt konkureerida looduslike eluvormidega vajalike ressursside, näiteks süsiniku, ATP või UV-valguse pärast (millega mõned nanomootorite näited töötavad). Kuid ökofaagia ja "halli mulla" stsenaariumid, nagu ka sünteetilised molekulaarassamblerid, põhinevad veel hüpoteetilistel tehnoloogiatel, mida ei ole veel eksperimentaalselt demonstreeritud.