Ensamblador molecular

Archiu:Protein translation.gif

Un ribosoma és una màquina biològica.

Un ensamblador molecular, segons ho definix K. Eric Drexler, «és un dispositiu propost capaç de conduir les reaccions químiques per mig del posicionament de molècules reactives en precisió atòmica». Algunes estructures biològiques tals com els ribosomas s'ajusten a esta definició, ya que, mentres treballaven en l'entorn d'una cèlula reben instruccions del ARN mensager i monten seqüències específiques d'aminoàcits per a constituir proteïnes. No obstant, el terme «ensamblador molecular» generalment es referix a dispositius teòrics artificials o sintètics. El desenroll dels ensambladors moleculars com els ribosoma va ser finançat en 2007 pel Consell d'Investigació britànic d'Ingenieria i Ciències Físiques. És evident que els ensambladors moleculars són possibles en este sentit específic. Un borrador d'un pla tecnològic, dirigit pel Battelle Memorial Institute i estajat en varis laboratoris nacionals de EE. UU. ha explorat una àmplia gama de tecnologies atòmiques de fabricació de precisió, incloent la perspectiva de la primera generació i a més llarc determini ensambladors moleculars programables. L'informe va ser publicat en decembre de 2007.

No obstant, el terme «ensamblador molecular» també s'utilisa en la ficció i la cultura popular per a descriure una gama de màquines fantàstiques que manipulen àtoms, moltes de les quals poden ser físicament impossibles en la realitat. Gran part de la controvèrsia sobre els "ensambladors moleculars" ve de la confusió en l'us del nom donat per les llegendes populars als conceptes tècnics. En 1992 Drexler va introduir un terme relatiu pero més comprensible de «fabricació molecular» (molecular manufacturing) que va descriure com a «síntesis química programada d'estructures complexes a través de les molècules de reactius posicionats mecánicament, no per mig de la manipulació d'àtoms individuals». Estos inclouen màquines hipotètiques que manipulen àtoms individuals i màquines en la capacitat d'autorreplicarse similars a un organisme que tenen la movilitat i la capacitat de consumir aliments, i aixina successivament. Són prou diferents a dispositius que es llimiten (com es definix més dalt) a «guiar la reacció química posicionant la reacció en precisió atòmica».

El fet de per qué els ensambladors moleculars sintètics mai es construïren i el perqué de la confusió sobre el significat del terme va haver molta disputa com si els «ensambladors moleculars» anaren simplement possibles o foren ciència ficció. La confusió i controvèrsia també són el resultat de ser calificats com nanotecnología, que és un àrea activa de laboratori d'investigació que sempre s'ha aplicat per a produir productes reals. No obstant, fins fa poc, no va haver cap investigació sobre la construcció real d'ensambladors moleculars. La crítica principal de l'investigació sobre els productes de còmput ensambladors moleculars alvançat és que les estructures són investigades i com els investigadors no es posen d'acort resulta impossible resumir-ho en l'actualitat.

A partir de 2007, el Consell Britànic d'Investigació en Ingenieria i Ciències Físiques ha finançat el desenroll d'ensambladors moleculars similars als ribosoma. Està clar que els ensambladors moleculars són possibles en este sentit llimitat. Un proyecte de full de ruta tecnològic, dirigit pel Battelle Memorial Institute i favorit per varis laboratoris nacionals d'Estats Units, ha explorat una série de tecnologies de fabricació de precisió atòmica, incloses les perspectives d'ensamblage molecular programable tant de primera generació com a llarc determini; l'informe es va publicar en decembre de 2007. En 2008, el Consell d'Investigació d'Ingenieria i Ciències Físiques va aportar una finançació d'1,5 millons de lliures a lo llarc de sis anys per a l'investigació de la mecanosíntesis mecanisada, en colaboració en l'Institut de Fabricació Molecular, entre uns atres.

Aixina mateix, el terme "ensamblador molecular" s'ha utilisat en la ciència ficció i la cultura popular per a referir-se a una àmplia gama de fantàstiques nanomáquinas que manipulen àtoms, moltes de les quals poden ser físicament impossibles en la realitat. Gran part de la controvèrsia sobre els "ensambladors moleculars" es deu a la confusió en l'us del nom tant per a conceptes tècnics com per a fantasies populars. En 1992, Drexler va introduir el terme "fabricació molecular", relacionat pero millor entés, que va definir com la "síntesis química programada d'estructures complexes per mig del posicionament mecànic de molècules reactives, no per mig de la manipulació d'àtoms individuals".

En este artícul es parla sobretot de "ensambladors moleculars" en el sentit popular. Es tracta de màquines hipotètiques que manipulen àtoms individuals i de màquines en capacitats d'autorreplicación, movilitat, capacitat de consumir aliments, etc., similars a les dels organismes. Són prou diferents dels dispositius que simplement (com s'ha definit anteriorment) "guien les reaccions químiques colocant molècules reactives en precisió atòmica".

Degut a que mai s'han construït ensambladors moleculars sintètics i a la confusió sobre el significat del terme, hi ha hagut molta controvèrsia sobre si els "ensambladors moleculars" són possibles o simplement ciència ficció. La confusió i la controvèrsia també es deriven de la seua classificació com a nanotecnología, que és un àrea activa d'investigació de laboratori que ya s'ha aplicat a la producció de productes reals; no obstant, fins fa poc, no hi havia hagut esforços d'investigació en la construcció real de "ensambladors moleculars".

No obstant, un treball de 2013 del grup de David Leigh, publicat en la revista Science, detalla un nou método per a sintetisar un péptido de forma específica per a la seqüència per mig de l'us d'una màquina molecular artificial que es guia per una cadena molecular. Esta màquina funciona de la mateixa manera que un ribosoma que construïx proteïnes ensamblando aminoàcits segons un pla de ARN mensager. L'estructura de la màquina es basa en un rotaxano, que és un anell molecular que s'esgola per un eix molecular. L'anell du un grup tiolato que retira aminoàcits en seqüència de l'eix, transferint-los a un lloc d'ensamblage de péptidos. En 2018, el mateix grup va publicar una versió més alvançada d'este concepte en la que l'anell molecular es desplaça a lo llarc d'una pista polimèrica per a ensamblar un oligopéptido que pot plegar-se en una α-hèliç que pot realisar la epoxidación enantioselectiva d'un derivat de la calcona (d'una manera que recorda a el ribosoma ensamblando una enzima). En un atre artícul publicat en Science en març de 2015, químics de l'Universitat d'Illinois informen d'una plataforma que automatisa la síntesis de 14 classes de molècules menudes, en mils de blocs de construcció compatibles.

En 2017, el grup de David Leigh va informar d'un robot molecular que podia programar-se per a construir qualsevol dels quatre estereoisómeros diferents d'un producte molecular per mig de l'us d'un braç robòtic nanomecánico per a moure un substrat molecular entre diferents llocs reactius d'una màquina molecular artificial. Un artícul adjunt de News and Views, titulat "Un ensamblador molecular", descrivia el funcionament del robot molecular com un ensamblador molecular prototípico.

Nanofábrica

Un sistema que es propon és la nanofábrica en la qual les nanomáquinas, que s'assemblen a ensambladors moleculars o a braços robòtics industrials, combinen molècules per mig de reactius mecanosintéticos per a construir peces més grans atómicamente precises. Estes, a la seua volta, són reunides per mecanismes de «posicionament de productes», classificats per tamany, per a construir productes macroscòpics (visibles), pero encara atómicamente precisos.

Una típica nanofábrica cabria en un box desktop, d'acort en la perspectiva de la Kim Eric Drexler, publicat en Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation.Durant la década dels 90, uns atres han ampliat el concepte de nanofábrica, incloent un anàlisis de l'ensamblage convergent de nanofábricas per Ralph Merkle, un disseny de sistemes d'una arquitectura de nanofábrica replicante per J. Storrs Hall, el "ensamblador universal" de Forrest Bishop, el procés d'ensamblage exponencial patentat per Zyvex, i un disseny de sistemes d'alt nivell per a una "nanofábrica primitiva" per Chris Phoenix (Director d'Investigació del Centre de Nanotecnología Responsable). Tots estos dissenys de nanofábricas (i uns atres més) es resumixen en el capítul 4 de Kinematic Self-Replicating Machines (2004), de Robert Freitas i Ralph Merkle. La Nanofactory Collaboration, fundada per Freitas i Merkle en l'any 2000, és un esforç continu i centrat en el que participen 23 investigadors de 10 organisacions i 4 països que estan desenrollant una agenda d'investigació pràctica dirigida específicament a la mecanosíntesis del diamant controlada posicionalment i al desenroll de nanofactorías diamantinas.

En 2005, John Burch, en colaboració en Drexler, va produir un curtmetrage animat per ordenador sobre el concepte de nanofábrica. Estes visions han segut objecte de molt debat, en varis nivells intelectuals. Ningú ha descobert un problema insuperable en les teories subjacents i ningú ha demostrat que les teories puguen dur-se a la pràctica. No obstant, el debat continua, i part d'ell es resumix en l'artícul sobre nanotecnología molecular.

Si es pogueren construir nanofábricas, un dels molts impactes negatius possibles seria el greu destorbament de l'economia mundial, encara que es podria argumentar que este destorbament tindria poc efecte negatiu si tot lo món tinguera eixes nanofábricas. També es podrien prevore grans beneficis. Vàries obres de ciència ficció han explorat estos i atres conceptes similars. El potencial d'estos dispositius va ser part del mandat d'un important estudi del Regne Unit dirigit per la professora d'ingenieria mecànica Dona'm Ann Dowling.

Autorreplicación

Els "ensambladors moleculars" s'han confòs en les màquines autorreplicantes. Per a produir una cantitat pràctica d'un producte desijat, el tamany a nanoescala d'un típic ensamblador molecular universal de ciència ficció requerix un número extremadament gran de tals dispositius. No obstant, un sol ensamblador molecular teòric d'este tipo podria estar programat per a autorreplicarse, construint moltes còpies de sí mateixa. Açò permetria una taxa de producció exponencial. Una volta que es disponguera d'una cantitat suficient d'ensambladors moleculars, es reprogramarien per a produir el producte desijat. No obstant, si la autorreplicación dels ensambladors moleculars no es llimitara, podria donar lloc a una competència en els organismes naturals. Açò s'ha denominat ecofagia o el problema de la substància grisa.

Un método per a construir ensambladors moleculars és imitar els processos evolutius empleats pels sistemes biològics. l'evolució biològica es produïx per variació aleatòria combinada en l'eliminació de les variants menys exitoses i la reproducció de les més exitoses. La producció d'ensambladors moleculars complexos podria evolucionar a partir de sistemes més simples, ya que "un sistema complex que funciona es troba invariablement que ha evolucionat a partir d'un sistema simple que funcionava. . . . Un sistema complex dissenyat des de zero mai funciona i no es pot parchear per a fer-ho funcionar. Cal tornar a escomençar, partint d'un sistema que funcione". No obstant, la majoria de les directrius de seguritat publicades inclouen "recomanacions contra el desenroll de ... dissenys de replicadores que permeten sobreviure a la mutació o a l'evolució".

La majoria dels dissenys d'ensambladors mantenen el "còdic font" fòra de l'ensamblador físic. En cada pas d'un procés de fabricació, eixe pas es llig d'un archiu informàtic ordinari i es "transmet" a tots els ensambladors. Si algun ensamblador ix de l'alcanç d'eixe ordenador, o quan l'enllaç entre eixe ordenador i els ensambladors es trenca, o quan eixe ordenador es desconecta, els ensambladors deixen de replicar. Esta "arquitectura de transmissió" és una de les característiques de seguritat recomanades per les "Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology", i un mapa de l'espai de disseny de replicadores de 137 dimensions publicat recentment per Freitas i Merkle oferix numerosos métodos pràctics pels que els replicadores poden ser controlats de forma segura per mig d'un bon disseny.