Молекулярные Ассемблеры: от Теории к Практике

Введение

Предлагаемое нанотехнологическое устройство

Молекулярный ассемблер, как определено К. Эриком Дрекслером, является "предлагаемым устройством, способным направлять химические реакции путем позиционирования реактивных молекул с атомной точностью". Молекулярный ассемблер – это разновидность молекулярной машины. Некоторые биологические молекулы, такие как рибосомы, соответствуют этому определению, поскольку они получают инструкции от мРНК и 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 инженерным и физическим наукам финансировал разработку молекулярных ассемблеров, подобных рибосомам. Очевидно, что молекулярные ассемблеры возможны в этом ограниченном смысле. Проект технологической дорожной карты, возглавляемый Институтом Battelle Memorial и организованный несколькими национальными лабораториями США, исследовал ряд технологий атомно-точной фабрикации, включая как разработки первого поколения, так и долгосрочные перспективы программируемой молекулярной сборки; отчет был опубликован в декабре 2007 года. В 2008 году Исследовательский совет по инженерным и физическим наукам 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) для исследований, направленных на механизированный механосинтез, в партнерстве с Институтом молекулярного производства и другими организациями. Аналогично, термин "молекулярный ассемблер" использовался в научной фантастике и популярной культуре для обозначения широкого спектра фантастических наномашин, манипулирующих атомами. Большая часть споров, касающихся "молекулярных ассемблеров", вызвана путаницей в использовании этого термина для обозначения как технических концепций, так и популярных фантазий. В 1992 году Дрекслер ввел связанный, но более понятный термин "молекулярное производство", которое он определил как запрограммированный "химический синтез сложных структур путем механического позиционирования реактивных молекул, а не манипулирования отдельными атомами". В данной статье в основном рассматриваются "молекулярные ассемблеры" в популярном смысле, то есть гипотетические машины, манипулирующие отдельными атомами, и машины, обладающие свойствами, характерными для живых организмов, такими как способность к самовоспроизведению, подвижность, потребление пищи и так далее. Они существенно отличаются от устройств, которые просто (в соответствии с вышеприведенным определением) "направляют химические реакции путем позиционирования реактивных молекул с атомной точностью". Поскольку синтетические молекулярные ассемблеры никогда не были созданы и из-за путаницы относительно значения термина, существует множество споров о том, возможны ли "молекулярные ассемблеры" или это просто научная фантастика. Неопределенность и противоречия также связаны с их классификацией как нанотехнологии – активно развивающейся области лабораторных исследований, которая уже находит применение в производстве реальных продуктов; однако до недавнего времени не предпринималось попыток к фактической постройке "молекулярных ассемблеров". Тем не менее, в статье 2013 года, опубликованной группой Дэвида Ли в журнале Science, подробно описан новый метод синтеза пептида в определенной последовательности с использованием искусственной молекулярной машины, управляемой молекулярной нитью. Этот механизм функционирует аналогично рибосоме, собирающей белки из аминокислот в соответствии с чертежом мРНК. Структура машины основана на ротаксане – молекулярном кольце, скользящем вдоль молекулярной оси. Кольцо несет тиолатную группу, которая последовательно удаляет аминокислоты с оси, перенося их на участок 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 сворачиваться в α-спираль, способную выполнять энантиоселективное эпоксидирование производного халькона (напоминая сборку фермента рибосомой). В другой статье, опубликованной в журнале Science в марте 2015 года, химики из Университета Иллинойса сообщили о платформе, автоматизирующей синтез 14 классов малых молекул с тысячами совместимых строительных блоков. В 2017 году группа Дэвида Ли представила молекулярного робота, которого можно было запрограммировать на создание любого из четырех различных стереоизомеров молекулярного продукта, используя наномеханическую роботизированную руку для перемещения молекулярного субстрата между различными реакционными центрами искусственной молекулярной машины. Сопроводительная статья "News and Views" под названием "Молекулярный ассемблер" описывала работу молекулярного робота как, по сути, прототип молекулярного ассемблера.

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.

Нанофабрики

Нанофабрика – это предлагаемая система, в которой наномашины (похожие на молекулярные сборщики или промышленные роботизированные манипуляторы) объединяют реактивные молекулы посредством механосинтеза для создания более крупных, атомно точных деталей. Эти детали, в свою очередь, собираются с помощью механизмов позиционирования различных размеров для создания макроскопических (видимых), но всё же атомно точных продуктов. Типичная нанофабрика, по мнению К. Эрика Дрекслера, изложенному в его работе «Наносистемы: молекулярные машины, производство и вычисления» (1992) – заметном труде по «исследовательской инженерии», – поместится в настольную коробку. В 1990-х годах другие исследователи развили концепцию нанофабрики, включая анализ конвергентной сборки нанофабрики, выполненный Ральфом Мерклем, системный проект реплицирующей архитектуры нанофабрики Дж. Сторрсом Холлом, «Универсальный сборщик» Форреста Бишопа, запатентованный процесс экспоненциальной сборки компании Zyvex и системный проект верхнего уровня для «примитивной нанофабрики» Криса Феникса (директора по исследованиям в Центре ответственной нанотехнологии). Все эти проекты нанофабрик (и многие другие) обобщены в главе 4 книги Роберта Фрейтаса и Ральфа Меркла «Кинематические самовоспроизводящиеся машины» (2004). «Нанофабрика Коллаборация», основанная Фрейтасом и Мерклем в 2000 году, – это целенаправленная, продолжающаяся работа, в которой участвуют 23 исследователя из 10 организаций и 4 стран, разрабатывающих практическую исследовательскую программу, специально направленную на позиционно-контролируемый алмазный механосинтез и разработку нанофабрик на основе алмазоидов. В 2005 году Джон Берч в сотрудничестве с Дрекслером создал анимационный короткометражный фильм, иллюстрирующий концепцию нанофабрики. Эти представления стали предметом многочисленных дискуссий на различных интеллектуальных уровнях. Никто не обнаружил непреодолимых проблем в лежащих в основе теориях, и никто не доказал, что эти теории можно реализовать на практике. Однако дискуссии продолжаются, и некоторые из них обобщены в статье о молекулярной нанотехнологии. Если нанофабрики будут созданы, серьезные потрясения мировой экономики станут одним из многих возможных негативных последствий, хотя можно утверждать, что эти потрясения окажут незначительное негативное влияние, если нанофабрики будут доступны каждому. Также ожидаются значительные выгоды. Различные произведения научной фантастики исследовали эти и подобные концепции. Потенциал таких устройств был частью мандата крупного исследования в Великобритании под руководством профессора машиностроения, Дейм Энн Доулинг.

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.

Самовоспроизведение

"Молекулярные сборщики" часто путают с самовоспроизводящимися машинами. Для производства практически значимого количества желаемого продукта, наноразмер типичного универсального молекулярного сборщика из научной фантастики требует огромного числа таких устройств. Однако, один такой теоретический молекулярный сборщик может быть запрограммирован на самовоспроизведение, создавая множество своих копий. Это позволило бы достичь экспоненциальной скорости производства. Затем, после создания достаточного количества молекулярных сборщиков, их можно было бы перепрограммировать для производства нужного продукта. Однако, если самовоспроизведение молекулярных сборщиков не будет ограничено, это может привести к конкуренции с естественными организмами. Это явление получило название экофагии или проблемы "серого слизня". Один из способов создания молекулярных сборщиков – имитация эволюционных процессов, используемых биологическими системами. Биологическая эволюция происходит посредством случайных изменений в сочетании с отбором менее успешных вариантов и размножением более успешных. Производство сложных молекулярных сборщиков можно развивать из более простых систем, поскольку "сложная, функционирующая система неизменно оказывается результатом эволюции из простой, функционирующей системы. Сложная система, спроектированная с нуля, никогда не работает и не может быть исправлена; необходимо начинать заново, с системы, которая работает". Однако, большинство опубликованных рекомендаций по безопасности включают "рекомендации против разработки конструкций репликаторов, допускающих выживание мутаций или эволюцию". В большинстве конструкций сборщиков "исходный код" хранится отдельно от физического сборщика. На каждом этапе производственного процесса этот этап считывается из обычного компьютерного файла и "передается" всем сборщикам. Если какой-либо сборщик выходит за пределы досягаемости компьютера, или связь между компьютером и сборщиками прерывается, или компьютер отключается, сборщики прекращают самовоспроизведение. Такая "архитектура широковещания" является одной из мер безопасности, рекомендованных "Руководством Foresight по молекулярной нанотехнологии", а карта 137-мерного пространства проектирования репликаторов, недавно опубликованная Freitas и Merkle, предоставляет множество практических методов безопасного управления репликаторами посредством грамотного проектирования.

"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.

Дебаты Дрекслера и Смолли

Одним из самых откровенных критиков некоторых концепций "молекулярных сборщиков" был профессор Ричард Смолли (1943–2005), удостоенный Нобелевской премии за вклад в область нанотехнологий. Смолли считал, что такие сборщики физически невозможны, и выдвинул научные возражения против них. Его два основных технических возражения были названы "проблемой неуклюжих манипуляций" и "проблемой неконтролируемого прилипания". Он полагал, что это исключает возможность создания "молекулярных сборщиков", работающих путем точного выбора и размещения отдельных атомов. Дрекслер и его коллеги ответили на эти два вопроса в публикации 2001 года. Смолли также считал, что спекуляции Дрекслера об апокалиптических опасностях самовоспроизводящихся машин, отождествляемых с "молекулярными сборщиками", могут подорвать общественную поддержку развития нанотехнологий. Для освещения дебатов между Дрекслером и Смолли относительно молекулярных сборщиков, Chemical & Engineering News опубликовал серию статей, представляющих собой обмен письмами, в которых рассматривались эти вопросы. Однако в них лишь мимоходом упоминается технология "сборки". Королевское общество и Королевская инженерная академия Великобритании также заказали доклад под названием "Нанонаука и нанотехнологии: возможности и неопределенности", посвященный более широким социальным и экологическим последствиям нанотехнологий. В этом докладе не обсуждается угроза, исходящая от потенциальных так называемых "молекулярных сборщиков".

Формальный научный обзор

В 2006 году Национальная академия наук США опубликовала отчет об исследовании молекулярного производства в рамках более обширного доклада "Вопрос размера: трехлетний обзор Национальной нанотехнологической инициативы". Комитет по исследованию рассмотрел техническое содержание "Наносистем" и в своем заключении отмечает, что ни один из существующих теоретических анализов нельзя считать окончательным в отношении ряда вопросов, касающихся потенциальной производительности системы, и что оптимальные пути реализации высокопроизводительных систем нельзя предсказать с уверенностью. В отчете рекомендуется проводить экспериментальные исследования для расширения знаний в этой области:

"Хотя сегодня можно проводить теоретические расчеты, диапазон достижимых химических реакционных циклов, частота ошибок, скорость работы и термодинамическая эффективность таких систем производства "снизу вверх" в конечном итоге не могут быть надежно предсказаны. Таким образом, в конечном итоге достижимое совершенство и сложность изготавливаемых продуктов, хотя и могут быть рассчитаны теоретически, не могут быть предсказаны с уверенностью. Наконец, оптимальные направления исследований, которые могли бы привести к системам, значительно превосходящим термодинамическую эффективность и другие возможности биологических систем, в настоящее время также не могут быть предсказаны надежно. Финансирование исследований, основанное на способности исследователей демонстрировать экспериментальные результаты, связанные с абстрактными моделями и определяющие долгосрочную перспективу, является наиболее подходящим способом достижения этой цели."

Серый слизь

Один из возможных сценариев, который обсуждается, — это неконтролируемое самовоспроизведение молекулярных сборщиков в форме «серой слизи», поглощающей углерод для продолжения репликации. Если этот процесс не будет остановлен, такое механическое воспроизводство потенциально может поглотить целые экорегионы или даже всю Землю (экофагия), либо просто вытеснить естественные формы жизни в борьбе за необходимые ресурсы, такие как углерод, АТФ или ультрафиолетовый свет (который используется в некоторых примерах наномоторов). Однако сценарии экофагии и «серой слизи», как и синтетические молекулярные сборщики, основаны на пока еще гипотетических технологиях, которые не были подтверждены экспериментально.