Молекулалық құрастырушы: Нанотехнологиялық құрылғының болашағы

Кіріспе

Ұсынылған нанотехнологиялық құрылғы. К. Эрик Дрекслер анықтағандай, молекулалық құрастырғыш — "реактивті молекулаларды атомдық дәлдікпен орналастыра отырып, химиялық реакцияларды басқара алатын ұсынылған құрылғы". Молекулалық құрастырғыш — молекулалық машинаның бір түрі. Рибосомалар сияқты кейбір биологиялық молекулалар осы анықтамаға сәйкес келеді, себебі олар РНК-дан нұсқаулар алып, аминқышқылдарының белгілі бір тізбектерін құрастырып, ақуыз молекулаларын жасайды. Алайда, "молекулалық құрастырғыш" термині көбінесе адам жасаған теориялық құрылғыларды білдіреді. 2007 жылдан бастап Ұлыбританияның Инженерлік және физикалық ғылымдар зерттеу кеңесі рибосомаға ұқсас молекулалық құрастырғыштарды әзірлеуді қаржыландыра бастады. Молекулалық құрастырғыштар осы шектеулі мағынада мүмкін екені анық. Бэттелл мемориалдық институты бастаған және бірнеше АҚШ Ұлттық зертханалары ұйымдастырған технологиялық жол картасы жобасы, атомдық дәлдікті қамтамасыз ететін технологиялардың спектрін зерттеді, соның ішінде бағдарламаланатын молекулалық құрастырудың алғашқы және ұзақ мерзімді перспективаларын; есеп 2007 жылдың желтоқсанында жарияланды. 2008 жылы Инженерлік және физикалық ғылымдар зерттеу кеңесі 1,5 миллион фунт стерлингті алты жылға (2021 жылы 1,942,235.57 фунт стерлинг, 2,693,808.00 доллар) механикаландырылған механосинтезді зерттеу үшін, Молекулалық өндіріс институты және басқа да ұйымдармен серіктестікте қаржылады. Сондай-ақ, "молекулалық құрастырғыш" термині ғылыми фантастикада және танымал мәдениетте ғажайып атомдарды манипуляциялайтын наномашиналардың кең ауқымын білдіру үшін қолданылған. "Молекулалық құрастырғыштар" туралы дау-дамайлардың көп бөлігі осы атаудың техникалық ұғымдар мен танымал қиялдарға қатысты қолданылуындағы шатасудан туындайды. 1992 жылы Дрекслер "молекулалық өндіріс" деген терминді енгізді, ол "жеке атомдарды манипуляциялау арқылы емес, реактивті молекулаларды механикалық түрде орналастыру арқылы күрделі құрылымдардың химиялық синтезі" деп анықтады. Бұл мақалада көбінесе "молекулалық құрастырғыштар" туралы танымал мағынада сөз болады. Бұған жеке атомдарды басқаруға қабілетті гипотетикалық машиналар және организм сияқты өздігінен көбейтуге, қозғалуға, тамақ тұтынуға және т.б. қабілетті машиналар жатады. Бұл құрылғылар жоғарыда айтылғандай, "химиялық реакцияларды реактивті молекулаларды атомдық дәлдікпен орналастыра отырып басқарады". Синтетикалық молекулалық құрастырғыштар ешқашан жасалмағаны және терминнің мағынасына қатысты түсініспеушілік болғандықтан, "молекулалық құрастырғыштар" мүмкін бе, әлде ғылыми фантастика ғана ба деген сұрақтар көп талқыланды. Бұрыс түсінік пен дау-дамай нанотехнология ретінде жіктелуінен де туындайды, ол зертханалық зерттеулердің белсенді саласы болып табылады және нақты өнімдерді өндіруге қолданылған; алайда, жақында ғана "молекулалық құрастырғыштардың" нақты құрылысын зерттеуге бағытталған жұмыстар жүргізілген жоқ. Дегенмен, Дэвид Ли тобының 2013 жылы Science журналында жарияланған мақаласында молекулалық жіппен басқарылатын жасанды молекулалық машинаны қолдану арқылы пептидті нақты реттілікпен синтездеудің жаңа әдісі туралы егжей-тегжейлі мәліметтер келтірілді. Бұл процесс рибосоманың ақуыздарды құрастыру процесіндегідей жұмыс істейді. Машинаның құрылымы молекулалық ось бойымен жылға қабілетті молекулалық сақинадан тұратын ротаксанаға негізделген. Сақина тиолат тобын алып жүреді, ол аминоқышқылдарды біртіндеп ошақтан алып тастап, оларды пептидтер жиналатын жерге жеткізеді. 2018 жылы сол топ осы тұжырымдаманың озық нұсқасын жариялады, онда молекулалық сақина полимерлік жолмен бірге олигопептидті құрастыру үшін қозғалады, ол α спираліне бүктелуі мүмкін және халкон туындысының энантиоселективті эпоксидациясын жүзеге асыруға қабілетті (рибосома фермент құрастыруын еске түсіретіндей). 2015 жылдың наурыз айында Science журналында жарияланған тағы бір мақалада Иллинойс университетінің химиктері 14 түрлі кішкентай молекулалар класының синтезін автоматтандыратын платформа туралы хабарлады, олардың мыңдаған үйлесімді құрылыс блоктары бар. 2017 жылы Дэвид Ли тобы молекулалық өнімнің төрт түрлі стереоизомерін құрастыруға бағдарламалана алатын молекулалық робот туралы хабарлады, бұл үшін наномеханикалық робот қолын қолданып, молекулалық субстратты жасанды молекулалық машинаның әр түрлі реактивті орындары арасында жылжыту қажет болды. Сонымен қатар жарияланған "Жаңалықтар мен көзқарастар" мақаласы, "Молекулалық құрастырғыш" деп аталып, молекулалық роботтың жұмыс істеуін прототиптік молекулалық құрастырғыш ретінде сипаттады.

Proposed nanotechnological device

A molecular assembler, as defined by K. Eric Drexler, is a "proposed device able to guide chemical reactions by positioning reactive molecules with atomic precision". A molecular assembler is a kind of molecular machine. Some biological molecules such as ribosomes fit this definition. This is because they receive instructions from messenger RNA and then assemble specific sequences of amino acids to construct protein molecules. However, the term "molecular assembler" usually refers to theoretical human made devices. Beginning in 2007, the British Engineering and Physical Sciences Research Council has funded development of ribosome like molecular assemblers. Clearly, molecular assemblers are possible in this limited sense. A technology roadmap project, led by the Battelle Memorial Institute and hosted by several U. S. National Laboratories has explored a range of atomically precise fabrication technologies, including both early generation and longer term prospects for programmable molecular assembly; the report was released in December, 2007. In 2008, the Engineering and Physical Sciences Research Council provided funding of £1.5 million over six years (£1,942,235.57, $2,693,808.00 in 2021) for research working towards mechanized mechanosynthesis, in partnership with the Institute for Molecular Manufacturing, amongst others. Likewise, the term "molecular assembler" has been used in science fiction and popular culture to refer to a wide range of fantastic atom manipulating nanomachines. Much of the controversy regarding "molecular assemblers" results from the confusion in the use of the name for both technical concepts and popular fantasies. In 1992, Drexler introduced the related but better understood term "molecular manufacturing", which he defined as the programmed "chemical synthesis of complex structures by mechanically positioning reactive molecules, not by manipulating individual atoms". This article mostly discusses "molecular assemblers" in the popular sense. These include hypothetical machines that manipulate individual atoms and machines with organism like self replicating abilities, mobility, ability to consume food, and so forth. These are quite different from devices that merely (as defined above) "guide chemical reactions by positioning reactive molecules with atomic precision". Because synthetic molecular assemblers have never been constructed and because of the confusion regarding the meaning of the term, there has been much controversy as to whether "molecular assemblers" are possible or simply science fiction. Confusion and controversy also stem from their classification as nanotechnology, which is an active area of laboratory research which has already been applied to the production of real products; however, there had been, until recently, no research efforts into the actual construction of "molecular assemblers". Nonetheless, a 2013 paper by David Leigh's group, published in the journal Science, details a new method of synthesizing a peptide in a sequence specific manner by using an artificial molecular machine that is guided by a molecular strand. This functions in the same way as a ribosome building proteins by assembling amino acids according to a messenger RNA blueprint. The structure of the machine is based on a rotaxane, which is a molecular ring sliding along a molecular axle. The ring carries a thiolate group, which removes amino acids in sequence from the axle, transferring them to a peptide assembly site. In 2018, the same group published a more advanced version of this concept in which the molecular ring shuttles along a polymeric track to assemble an oligopeptide that can fold into an α helix that can perform the enantioselective epoxidation of a chalcone derivative (in a way reminiscent to the ribosome assembling an enzyme). In another paper published in Science in March 2015, chemists at the University of Illinois report a platform that automates the synthesis of 14 classes of small molecules, with thousands of compatible building blocks. In 2017, David Leigh's group reported a molecular robot that could be programmed to construct any one of four different stereoisomers of a molecular product by using a nanomechanical robotic arm to move a molecular substrate between different reactive sites of an artificial molecular machine. An accompanying News and Views article, titled 'A molecular assembler', outlined the operation of the molecular robot as effectively a prototypical molecular assembler.

Нанофабрикалар

Нанофабрика – наномашиналар (молекулалық құрастырғыштарға немесе өнеркәсіптік робот қолдарына ұқсас) реактивті молекулаларды механосинтез арқылы біріктіріп, атомдық дәлдігі жоғары бөліктерді құрайтын ұсынылған жүйе. Бұл бөліктер, өз кезегінде, макроскопиялық (көрінетін), бірақ әлі де атомдық дәлдігі сақталған өнімдерді құру үшін әртүрлі өлшемдегі орналастыру механизмдері арқылы құрастырылады. К. Эрик Дрекслердің "Наножүйелер: молекулалық машиналар, өндіріс және есептеу" (1992) еңбегінде сипаттағандай, әдеттегі нанофабрика жұмыс үстелінің қорабына сыяды, бұл "зерттеушілік инженерияның" еңбегі саналады. 1990 жылдары басқалар да нанофабрика тұжырымдамасын кеңейтті, соның ішінде Ральф Мерклдің нанофабрикалардың конвергентті құрастыруын талдауы, Дж. Сторрз Холлдың нанофабрика архитектурасын көбейтудің жүйелік дизайны, Форрест Бишоптың "Жақсы құрастырушысы", Zyvex компаниясының патенттелген экспоненциалдық құрастыру процесі және Крис Феникстің (Жауапты нанотехнологиялар орталығының зерттеу директоры) "алғашқы нанофабрика" үшін жоғары деңгейдегі жүйелік дизайны. Роберт Фрейтас және Ральф Мерклдің "Кинематикалық өзін-өзі көбейту машиналары" (2004) кітабының 4-тарауында нанофабрикалардың барлық жобалары (және тағы да басқалары) жинақталған. 2000 жылы Фрейтас пен Меркл құрған Nanofactory Collaboration – бұл 10 ұйым мен 4 елден 23 зерттеушіні қамтитын, позициялық бақыланатын алмаз механосинтезі мен алмаздық нанофабрикаларды дамытуға бағытталған тәжірибелік зерттеулердің күн тәртібін әзірлеуге бағытталған мақсатты, үздіксіз жұмыс. 2005 жылы Джон Берч Дрекслермен бірлесіп, нанофабрика тұжырымдамасының анимациялық қысқаметражды фильмін жасады. Мұндай көзқарастар көптеген зиялы деңгейлерде қызу талқылауларға түрткі болды. Ешкім бұл теорияларда еңсерілмейтін мәселе бар екенін анықтаған жоқ, сондай-ақ ешкім бұл теорияларды тәжірибеге енгізуге болатынын дәлелдеген жоқ. Алайда, пікір-таластар жалғасуда, олардың кейбіреулері молекулалық нанотехнология мақаласында қысқаша баяндалған. Егер нанофабрикалар құрылса, әлемдік экономикаға ауыр соққы беруі мүмкін, бірақ егер әркімде мұндай нанофабрикалар болса, бұл соққының зияны азайды деп айтуға болады. Сондай-ақ, үлкен пайда да күтілуде. Ғылыми фантастиканың әртүрлі туындылары осы және ұқсас тұжырымдамаларды зерттеді. Мұндай құрылғылардың мүмкіндіктері механикалық инженерия профессоры, Дам Энн Доулинг басқарған Ұлыбританиядағы маңызды зерттеудің мақсатына кірді.

A nanofactory is a proposed system in which nanomachines (resembling molecular assemblers, or industrial robot arms) would combine reactive molecules via mechanosynthesis to build larger atomically precise parts. These, in turn, would be assembled by positioning mechanisms of assorted sizes to build macroscopic (visible) but still atomically precise products. A typical nanofactory would fit in a desktop box, in the vision of K. Eric Drexler published in Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992), a notable work of "exploratory engineering". During the 1990s, others have extended the nanofactory concept, including an analysis of nanofactory convergent assembly by Ralph Merkle, a systems design of a replicating nanofactory architecture by J. Storrs Hall, Forrest Bishop's "Universal Assembler", the patented exponential assembly process by Zyvex, and a top level systems design for a 'primitive nanofactory' by Chris Phoenix (director of research at the Center for Responsible Nanotechnology). All of these nanofactory designs (and more) are summarized in Chapter 4 of Kinematic Self Replicating Machines (2004) by Robert Freitas and Ralph Merkle. The Nanofactory Collaboration, founded by Freitas and Merkle in 2000, is a focused, ongoing effort involving 23 researchers from 10 organizations and 4 countries that is developing a practical research agenda specifically aimed at positionally controlled diamond mechanosynthesis and diamondoid nanofactory development. In 2005, an animated short film of the nanofactory concept was produced by John Burch, in collaboration with Drexler. Such visions have been the subject of much debate, on several intellectual levels. No one has discovered an insurmountable problem with the underlying theories and no one has proved that the theories can be translated into practice. However, the debate continues, with some of it being summarized in the molecular nanotechnology article. If nanofactories could be built, severe disruption to the world economy would be one of many possible negative impacts, though it could be argued that this disruption would have little negative effect, if everyone had such nanofactories. Great benefits also would be anticipated. Various works of science fiction have explored these and similar concepts. The potential for such devices was part of the mandate of a major UK study led by mechanical engineering professor Dame Ann Dowling.

Өзін-өзі көбейту

"Молекулалық құрастырушылар" өзін-өзі көбейтуге қабілетті машиналармен шатастырылып келген. Қажетті өнімнің нақты көлемін өндіру үшін, ғылыми фантастикадағы әдеттегідей, наноөлшемді әмбебап молекулалық құрастырушының кішігірім мөлшері осындай құрылғылардың өте көп санын талап етеді. Дегенмен, мұндай теориялық молекулалық құрастырушы өзін-өзі көбейтуге бағдарламаланып, өзінің көптеген көшірмелерін жасауы мүмкін. Бұл өндіріс жылдамдығының экспоненциалды түрде өсуіне әкеледі. Содан кейін, жеткілікті мөлшерде молекулалық құрастырушылар қолжеткілі болғаннан кейін, олар қажетті өнімді өндіру үшін қайта бағдарламаланады. Алайда, егер молекулалық құрастырушылардың өзін-өзі көбейтуі шектелмесе, ол табиғи организмдермен бәсекелестікке алып келуі мүмкін. Бұл экологиялық желім немесе "сұр иіс" мәселесі деп аталады. Молекулалық құрастырушыларды құрудың бір жолы – биологиялық жүйелер қолданатын эволюциялық процестерді имитациялау. Биологиялық эволюция кездейсоқ өзгерістермен, сәтті емес нұсқауларды іріктеумен және сәтті нұсқауларды көбейтумен жүзеге асады. Күрделі молекулалық құрастырушылардың өндірісі қарапайым жүйелерден дамуы мүмкін, себебі "жұмыс істейтін күрделі жүйе әрқашан жұмыс істеген қарапайым жүйеден пайда болған. Бастапқыда жобаланған күрделі жүйе ешқашан жұмыс істемейді және оны жұмыс істеуге келтіруге болмайды. Сіз жұмыс істейтін жүйеден бастап, қайтадан бастауыңыз керек". Дегенмен, көптеген жарияланған қауіпсіздік нұсқауларында "мутациядан аман қалуға немесе эволюцияға ұшырауға мүмкіндік беретін көбейтілім дизайндарын жасауға қарсы ұсыныстар" бар. Көптеген құрастырушы дизайндары "көз кодын" физикалық құрастырушыдан бөлек сақтайды. Өндіріс процесінің әр қадамында, бұл қадам қарапайым компьютерлік файлдан оқылып, барлық құрастырушыларға "таратылады". Егер кез келген құрастырушы компьютердің жеткеншесіз аумағынан шығып кетсе, немесе компьютер мен құрастырушылар арасындағы байланыс үзілсе, немесе компьютер өшірілсе, құрастырушылар көбейтуді тоқтатады. Мұндай "тарату архитектурасы" – "Молекулалық нанотехнология бойынша алдын ала ескертулерде" ұсынылған қауіпсіздік шараларының бірі болып табылады, ал Фрейтас пен Мерклдің жақында жариялаған 137 өлшемді көбейтілім дизайны кеңістігінің картасы көбейтілімдерді жақсы жобалау арқылы қауіпсіз басқарудың көптеген практикалық әдістерін ұсынады.

"Molecular assemblers" have been confused with self replicating machines. To produce a practical quantity of a desired product, the nanoscale size of a typical science fiction universal molecular assembler requires an extremely large number of such devices. However, a single such theoretical molecular assembler might be programmed to self replicate, constructing many copies of itself. This would allow an exponential rate of production. Then, after sufficient quantities of the molecular assemblers were available, they would then be re programmed for production of the desired product. However, if self replication of molecular assemblers were not restrained then it might lead to competition with naturally occurring organisms. This has been called ecophagy or the grey goo problem. One method of building molecular assemblers is to mimic evolutionary processes employed by biological systems. Biological evolution proceeds by random variation combined with culling of the less successful variants and reproduction of the more successful variants. Production of complex molecular assemblers might be evolved from simpler systems since "A complex system that works is invariably found to have evolved from a simple system that worked. . A complex system designed from scratch never works and can not be patched up to make it work. You have to start over, beginning with a system that works." However, most published safety guidelines include "recommendations against developing replicator designs which permit surviving mutation or undergoing evolution". Most assembler designs keep the "source code" external to the physical assembler. At each step of a manufacturing process, that step is read from an ordinary computer file and "broadcast" to all the assemblers. If any assembler gets out of range of that computer, or when the link between that computer and the assemblers is broken, or when that computer is unplugged, the assemblers stop replicating. Such a "broadcast architecture" is one of the safety features recommended by the "Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology", and a map of the 137 dimensional replicator design space recently published by Freitas and Merkle provides numerous practical methods by which replicators can be safely controlled by good design.

Дрекслер мен Смоллидің талқылауы

"Молекулалық құрастырушылар" концепциясының кейбір аспектілерін ең қатты сынға алғандардың бірі – нанотехнология саласына қосқан үлесі үшін Нобель сыйлығын алған профессор Ричард Смолли (1943–2005) болды. Смолли мұндай құрастырушылар физикалық жағынан мүмкін емес деп санды және оларға ғылыми қарсылықтар келтірді. Оның екі маңызды техникалық қарсылығы "майлы саусақтар мәселесі" және "жабысқақ саусақтар мәселесі" деп аталды. Оның пікірінше, бұл жеке атомдарды қатаң түрде таңдап, орналастыру арқылы жұмыс істейтін "молекулалық құрастырушылардың" болу мүмкіндігін жоққа шығарады. Дрекслер және оның әріптестері 2001 жылы жарияланған мақалада осы екі мәселеге жауап берді. Смолли сондай-ақ, Дрекслердің "молекулалық құрастырушылар" деп аталатын өздігінен көбейетін машиналардың қаупі туралы болжамдары нанотехнологияны дамытуға қоғамдық қолдауды төмендетуі мүмкін деп санады. Дрекслер мен Смолли арасындағы молекулалық құрастырушыларға қатысты пікірталасқа қатысты Chemical & Engineering News осы мәселелерді талқылайтын хаттар алмасуын жариялады. Дегенмен, ол "құрастырушы" технологиясына тек қысқаша сілтеме жасайды. Ұлыбритания Корольдік қоғамы және Корольдік инженерлік академиясы нанотехнологияның кең ауқымды әлеуметтік және экологиялық салдарына қатысты "Наноғылым және нанотехнологиялар: мүмкіндіктер мен белгісіздіктер" атты есеп дайындады. Бұл есепте әлеуетті, сондай-аталған "молекулалық құрастырушылар" тудыратын қауіп туралы ештеңе айтылмаған.

Ресми ғылыми тексеру

2006 жылы АҚШ Ұлттық ғылым академиясы молекулалық өндіріс туралы зерттеу есебін, «Өлшем мәселесі: Ұлттық нанотехнология бастамасының үшжылдық шолуы» атты кең ауқымды есептің бөлігі ретінде жариялады. Зерттеу комитеті «Наножүйелер» еңбегінің техникалық мазмұнын қарастырып, қорытындысында қазіргі теориялық талдаудың бірнеше әлеуетті жүйелік өнімділік мәселелері бойынша нақты есептелмейтінін, ал жоғары өнімді жүйелерді іске асырудың ең тиімді жолдарын сенімді түрде болжау мүмкін емес екенін мәлімдеді. Осы саладағы білімді дамыту үшін тәжірибелік зерттеулер жүргізу ұсынылады:

«Қазіргі таңдағы теориялық есептеулерге қарамастан, мұндай төменнен жоғарыға қарай өндіріс жүйелерінің химиялық реакция циклдарының, қателік деңгейінің, жұмыс жылдамдығының және термодинамикалық тиімділігінің болашақта қандай диапазонда болатынын сенімді түрде болжау мүмкін емес. Демек, өндірілген өнімдердің ақыр соңында қол жеткізілетін толықтығы мен күрделілігі теориялық тұрғыдан есептелгенімен, сенімді түрде болжауға болмайды. Сонымен қатар, биологиялық жүйелердің термодинамикалық тиімділігі мен басқа да мүмкіндіктерін айтарлықтай арттыратын зерттеу жолдарын қазіргі уақытта сенімді түрде болжауға болмайды. Осы мақсатқа жету үшін зерттеушілердің абстрактілі модельдермен байланысты тәжірибелік нәтижелерді көрсетуге және ұзақ мерзімді көзқарасқа бағыт беруге қабілетті зерттеулерді қаржыландыру ең тиімді болады».

Сұр сірке сулары

Бір мүмкін сценарий – көбейтілуді жалғастыру үшін көміртекті пайдаланатын, "сұр шүберек" түріндегі бақылаусыз көбейетін молекулалық құрастырушылар. Егер олар тежелмесе, мұндай механикалық көбейтілу бүкіл экожүйелерді немесе тіпті бүкіл Жерді (экофагия) жұтып қоюы мүмкін, немесе көміртек, АТФ немесе ультракүлгін сәуле сияқты қажетті ресурстар үшін табиғи тіршілік формаларымен бәсекелесіп, олардан озуы мүмкін (кейбір наномоторлар осы энергиямен жұмыс істейді). Дегенмен, синтетикалық молекулалық құрастырушылар сияқты экофагия және "сұр шүберек" сценарийлері де әзірге тәжірибеде дәлелденбеген, тек гипотетикалық технологияларға негізделген.