Spring til indhold

Bruger:Khgdh/Molekylær assembler

Fra Wikipedia, den frie encyklopædi

En molekylær assembler, som defineret af K. Eric Drexler, er en "foreslået anordning, der er i stand til at styre kemiske reaktioner ved at placere reaktive molekyler med atomar præcision". En molekylær assembler er en slags molekylær maskine. Nogle biologiske molekyler som f.eks. ribosomer passer til denne definition. Det skyldes, at de modtager instruktioner fra messenger-RNA og derefter samler specifikke sekvenser af aminosyrer for at konstruere proteinmolekyler. Udtrykket "molekylær assembler" henviser dog normalt til teoretiske menneskeskabte apparater.

Fra 2007 har det britiske Engineering and Physical Sciences Research Council finansieret udvikling af ribosomlignende molekylære samlere, der begynder i 2007. Det er klart, at molekylære samleprocessorer er mulige i denne begrænsede forstand. Et teknologikøreplanprojekt, der ledes af Battelle Memorial Institute og er vært for flere amerikanske nationale laboratorier, har undersøgt en række atomært præcise fremstillingsteknologier, herunder både tidlige generationer og udsigter på længere sigt for programmerbar molekylær samling; rapporten blev offentliggjort i december 2007. I 2008 ydede Engineering and Physical Sciences Research Council en støtte på 1,5 mio. pund over seks år til forskning, der arbejder hen imod mekaniseret mekanosyntese, bl.a. i samarbejde med Institute for Molecular Manufacturing.[1]

Ligeledes er udtrykket "molekylær assembler" blevet brugt i science fiction og populærkulturen til at henvise til en lang række fantastiske atommanipulerende nanomaskiner, hvoraf mange måske er fysisk umulige i virkeligheden. En stor del af kontroversen om "molekylære samlere" skyldes forvirringen i forbindelse med brugen af betegnelsen for både tekniske koncepter og populære fantasier. I 1992 introducerede Drexler det beslægtede, men bedre forståede begreb "molekylær fremstilling", som han definerede som den programmerede "kemiske syntese af komplekse strukturer ved mekanisk at placere reaktive molekyler, ikke ved at manipulere individuelle atomer".

Denne artikel omhandler hovedsagelig "molekylære samlemaskiner" i den populære betydning. Disse omfatter hypotetiske maskiner, der manipulerer individuelle atomer, og maskiner med organismelignende selvreplikerende evner, mobilitet, evne til at indtage føde osv. Disse er helt forskellige fra apparater, der blot (som defineret ovenfor) "styrer kemiske reaktioner ved at placere reaktive molekyler med atomar præcision".

Da der aldrig er blevet konstrueret syntetiske molekylære samlingsenheder, og da der hersker forvirring om betydningen af begrebet, har der været stor uenighed om, hvorvidt "molekylære samlingsenheder" er mulige eller blot science fiction. Forvirringen og kontroversen skyldes også, at de klassificeres som nanoteknologi, som er et aktivt område inden for laboratorieforskning, der allerede er blevet anvendt til fremstilling af reelle produkter; der har dog indtil for nylig ikke været nogen forskningsindsats i forbindelse med den faktiske konstruktion af "molekylære samlemaskiner".

Ikke desto mindre beskriver en artikel fra 2013 fra David Leighs gruppe, der er offentliggjort i tidsskriftet Science, en ny metode til at syntetisere et peptid på en sekvensspecifik måde ved hjælp af en kunstig molekylær maskine, der styres af en molekylær streng. Dette fungerer på samme måde som et ribosom, der bygger proteiner ved at samle aminosyrer i henhold til et budbringer-RNA-blåtryk. Maskinens struktur er baseret på en rotaxan, som er en molekylær ring, der glider langs en molekylær akse. Ringen bærer en thiolatgruppe, som fjerner aminosyrer i rækkefølge fra aksen og overfører dem til et peptidsamlingssted. I 2018 offentliggjorde den samme gruppe en mere avanceret version af dette koncept, hvor den molekylære ring pendler langs et polymerspor for at samle et oligopeptid, der kan folde sig til en α-helix, der kan udføre den enantioselektive epoxidering af et chalconderivat (på en måde, der minder om ribosomets samling af et enzym). I en anden artikel, der blev offentliggjort i Science i marts 2015, rapporterer kemikere fra University of Illinois om en platform, der automatiserer syntesen af 14 klasser af små molekyler med tusindvis af kompatible byggesten.

I 2017 rapporterede David Leighs gruppe om en molekylær robot, der kunne programmeres til at konstruere en af fire forskellige stereoisomerer af et molekylært produkt ved at bruge en nanomekanisk robotarm til at flytte et molekylært substrat mellem forskellige reaktive steder i en kunstig molekylær maskine. I en ledsagende News and Views-artikel med titlen "A molecular assembler" blev det beskrevet, hvordan den molekylære robot fungerer som en prototypisk molekylær assembler.

Nanofabrikker

[redigér | rediger kildetekst]

En nanofabrik er et foreslået system, hvor nanomaskiner (der ligner molekylære samlemaskiner eller industrielle robotarme) kombinerer reaktive molekyler via mekanosyntese for at bygge større atomært præcise dele. Disse kan igen samles ved hjælp af positioneringsmekanismer af forskellige størrelser for at bygge makroskopiske (synlige), men stadig atomært præcise produkter.


En typisk nanofabrik vil kunne rummes i en skrivebordskasse, som K. Eric Drexler har beskrevet i Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992), et bemærkelsesværdigt værk om "exploratory engineering". I løbet af 1990'erne har andre udvidet nanofactory-konceptet, herunder en analyse af konvergent samling af nanofactory'er af Ralph Merkle, et systemdesign af en replikerende nanofactory-arkitektur af J. Storrs Hall, Forrest Bishops "Universal Assembler", den patenterede eksponentielle samlingsproces af Zyvex og et systemdesign på højeste niveau for en "primitiv nanofactory" af Chris Phoenix (forskningsdirektør ved Center for Responsible Nanotechnology). Alle disse nanofabriksdesigns (og flere andre) er sammenfattet i kapitel 4 i Kinematic Self-Replicating Machines (2004) af Robert Freitas og Ralph Merkle. Nanofactory Collaboration, der blev grundlagt af Freitas og Merkle i 2000, er en fokuseret igangværende indsats med deltagelse af 23 forskere fra 10 organisationer og 4 lande, som er i gang med at udvikle en praktisk forskningsdagsorden, der specifikt er rettet mod positionelt kontrolleret mekanosyntese af diamant og udvikling af diamantnanofactoryer.

I 2005 producerede John Burch i samarbejde med Drexler en computeranimeret kortfilm om nanofabrikkens koncept. Sådanne visioner har været genstand for megen debat på flere intellektuelle niveauer. Ingen har opdaget et uoverstigeligt problem med de underliggende teorier, og ingen har bevist, at teorierne kan omsættes til praksis. Debatten fortsætter imidlertid, og en del af den er sammenfattet i artiklen om molekylær nanoteknologi.

Hvis der kunne bygges nanofabrikker, ville alvorlige forstyrrelser i verdensøkonomien være en af mange mulige negative virkninger, selv om man kan hævde, at disse forstyrrelser ville have ringe negative virkninger, hvis alle havde sådanne nanofabrikker. Der ville også kunne forventes store fordele. Forskellige science fiction-værker har udforsket disse og lignende koncepter. Potentialet for sådanne anordninger var en del af mandatet i en større britisk undersøgelse, der blev ledet af professor i maskinteknik Dame Ann Dowling.

Selvreplikering

[redigér | rediger kildetekst]

"Molekylære samlemaskiner" er blevet forvekslet med selvreplikerende maskiner. For at fremstille en praktisk mængde af et ønsket produkt er det på nanoskala-størrelsen af en typisk universel molekylær assembler i science fiction-format nødvendigt med et ekstremt stort antal af sådanne enheder. En enkelt sådan teoretisk molekylær assembler kan imidlertid programmeres til at reproducere sig selv og konstruere mange kopier af sig selv. Dette ville muliggøre en eksponentiel produktionshastighed. Når der så er tilstrækkelige mængder af molekylære samlere til rådighed, kan de omprogrammeres til produktion af det ønskede produkt. Hvis selvreplikering af molekylære samlere ikke blev begrænset, kunne det imidlertid føre til konkurrence med naturligt forekommende organismer. Dette er blevet kaldt økofagi eller det såkaldte "grey goo"-problem.

En metode til at opbygge molekylære samlere er at efterligne de evolutionære processer, der anvendes i biologiske systemer. Den biologiske evolution foregår ved tilfældig variation kombineret med udskillelse af de mindre succesfulde varianter og reproduktion af de mere succesfulde varianter. Produktion af komplekse molekylære samlinger kan være udviklet fra enklere systemer, da "et komplekst system, der fungerer, altid viser sig at være udviklet fra et simpelt system, der fungerede ...". . . Et komplekst system, der er designet fra bunden, fungerer aldrig og kan ikke lappes sammen for at få det til at fungere. Man er nødt til at starte forfra og begynde med et system, der fungerer." De fleste offentliggjorte sikkerhedsretningslinjer indeholder imidlertid "anbefalinger mod at udvikle ... replikatordesigns, der tillader at overleve mutationer eller undergå evolution".

De fleste assembler-designs holder "kildekoden" uden for den fysiske assembler. Ved hvert trin i en fremstillingsproces læses det pågældende trin fra en almindelig computerfil og "udsendes" til alle assemblerne. Hvis en assembler kommer uden for rækkevidde af den pågældende computer, eller hvis forbindelsen mellem computeren og assemblerne afbrydes, eller hvis computeren bliver taget ud af stikkontakten, holder assemblerne op med at replikere. En sådan "broadcast-arkitektur" er et af de sikkerhedselementer, der anbefales i "Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology", og et kort over det 137-dimensionelle replikator-designrum, som Freitas og Merkle for nylig har offentliggjort, indeholder talrige praktiske metoder, hvormed replikatorer kan kontrolleres sikkert ved hjælp af et godt design.

Drexler og Smalley-debat

[redigér | rediger kildetekst]

Main article: Drexler-Smalley-debat om molekylær nanoteknologi En af de mest åbenlyse kritikere af nogle begreber om "molekylære samlere" var professor Richard Smalley (1943-2005), som vandt Nobelprisen for sine bidrag til nanoteknologiområdet. Smalley mente, at sådanne samlere ikke var fysisk mulige og fremsatte videnskabelige indvendinger mod dem. Hans to vigtigste tekniske indvendinger blev kaldt "fedtfingerproblemet" og "klisterfingerproblemet". Han mente, at disse problemer ville udelukke muligheden for "molekylære samlemaskiner", der fungerede ved hjælp af præcisionsudtagning og -placering af individuelle atomer. Drexler og kolleger svarede på disse to problemer i en publikation fra 2001.

Smalley mente også, at Drexlers spekulationer om apokalyptiske farer ved selvreplikerende maskiner, der er blevet sidestillet med "molekylære samlemaskiner", ville true den offentlige støtte til udviklingen af nanoteknologi. For at tage fat på debatten mellem Drexler og Smalley om molekylære samlemaskiner offentliggjorde Chemical & Engineering News et point-counterpoint bestående af en brevveksling, der behandlede disse spørgsmål.

Regulering

[redigér | rediger kildetekst]

Spekulationer om styrken af systemer, der er blevet kaldt "molekylære samlere", har udløst en bredere politisk diskussion om nanoteknologiens konsekvenser. Dette skyldes til dels, at nanoteknologi er et meget bredt begreb, som kan omfatte "molekylære samlere". Diskussionen om de mulige konsekvenser af fantastiske molekylære samlemaskiner har givet anledning til krav om regulering af den nuværende og fremtidige nanoteknologi. Der er meget reelle bekymringer over de potentielle sundhedsmæssige og økologiske virkninger af nanoteknologi, der integreres i fremstillede produkter. Greenpeace har f.eks. bestilt en rapport om nanoteknologi, hvori de udtrykker bekymring over toksiciteten af nanomaterialer, der er blevet introduceret i miljøet. Der henvises dog kun flygtigt til "assembler"-teknologien. Det britiske Royal Society og Royal Academy of Engineering har også bestilt en rapport med titlen "Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties" om de større sociale og økologiske konsekvenser af nanoteknologien. I denne rapport diskuteres ikke truslen fra potentielle såkaldte "molekylære samlere".

Formel videnskabelig gennemgang

[redigér | rediger kildetekst]

I 2006 offentliggjorde U.S. National Academy of Sciences rapporten om en undersøgelse af molekylær fremstilling som en del af en længere rapport, A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative Undersøgelsesudvalget gennemgik det tekniske indhold af Nanosystems og fastslår i sin konklusion, at ingen nuværende teoretiske analyser kan betragtes som endelige med hensyn til flere spørgsmål om potentielle systemers ydeevne, og at de optimale veje til gennemførelse af højtydende systemer ikke kan forudsiges med sikkerhed. Den anbefaler eksperimentel forskning for at fremme viden på dette område:

"Selv om der i dag kan foretages teoretiske beregninger, kan man på nuværende tidspunkt ikke med sikkerhed forudsige, hvilke kemiske reaktionscyklusser, fejlfrekvenser, hastigheder og termodynamiske virkningsgrader sådanne bottom-up fremstillingssystemer vil kunne opnå i sidste ende. Selv om de fremstillede produkters perfektion og kompleksitet kan beregnes i teorien, kan de således ikke forudsiges med sikkerhed, selv om de i sidste ende kan opnås. Endelig kan de optimale forskningsveje, der kan føre til systemer, som langt overgår de biologiske systemers termodynamiske effektivitet og andre muligheder, ikke forudsiges pålideligt på nuværende tidspunkt. Forskningsfinansiering, der er baseret på forskernes evne til at producere eksperimentelle demonstrationer, der knytter sig til abstrakte modeller og vejleder langsigtede visioner, er den mest hensigtsmæssige måde at nå dette mål på."

Grey goo

[redigér | rediger kildetekst]

Et potentielt scenarie, der er blevet forestillet, er ukontrollerbare selvreplikerende molekylære samlinger i form af gråt slim, der forbruger kulstof for at fortsætte sin replikation. Hvis en sådan mekanisk replikation ikke kontrolleres, kan den potentielt opbruge hele økoregioner eller hele Jorden (økofagi), eller den kan simpelthen udkonkurrere naturlige livsformer om de nødvendige ressourcer som kulstof, ATP eller UV-lys (som nogle nanomotoriske eksempler kører på). Økofagi og "grey goo"-scenarierne er imidlertid ligesom syntetiske molekylære samleprocessorer baseret på stadig hypotetiske teknologier, som endnu ikke er blevet demonstreret eksperimentelt.

Kilder/referencer

[redigér | rediger kildetekst]
  1. ^ "Grants on the Web". Arkiveret fra originalen november 4, 2011.{{cite web}}: CS1-vedligeholdelse: Dato automatisk oversat (link)
[redigér | rediger kildetekst]
Scholia har en profil for {{{id}}} ().
Hentet fra "https://da.wikipedia.org/w/index.php?title=Bruger:Khgdh/Molekylær_assembler&oldid=10888411"