Ensamblador molecular

Un ensamblador molecular, como lo define K. Eric Drexler, es un "dispositivo propuesto capaz de guiar reacciones químicas posicionando moléculas reactivas con precisión atómica". Un ensamblador molecular es una especie de máquina molecular. Algunas moléculas biológicas como los ribosomas se ajustan a esta definición. Esto se debe a que reciben instrucciones del ARN mensajero y luego ensamblan secuencias específicas de aminoácidos para construir moléculas de proteína. Sin embargo, el término "ensamblador molecular" generalmente se refiere a dispositivos teóricos fabricados por humanos.

A partir de 2007, el Consejo Británico de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas ha financiado el desarrollo de ensambladores moleculares similares a los ribosomas. Claramente, los ensambladores moleculares son posibles en este sentido limitado. Un proyecto de hoja de ruta tecnológica, dirigido por el Battelle Memorial Institute y organizado por varios Laboratorios Nacionales de EE. UU. ha explorado una gama de tecnologías de fabricación atómicamente precisas, incluidas las perspectivas de generación temprana y a largo plazo para el ensamblaje molecular programable; el informe se publicó en diciembre de 2007. En 2008, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas proporcionó una financiación de 1,5 millones de libras durante seis años (1.942.235,57 libras esterlinas, 2.693.808,00 dólares en 2021) para la investigación encaminada a la mecanosíntesis mecanizada, en colaboración con el Instituto de Fabricación Molecular, entre otros.

Asimismo, el término "ensamblador molecular" se ha utilizado en la ciencia ficción y la cultura popular para referirse a una amplia gama de fantásticas nanomáquinas manipuladoras de átomos. Gran parte de la controversia con respecto a los "ensambladores moleculares" se debe a la confusión en el uso del nombre tanto para conceptos técnicos como para fantasías populares. En 1992, Drexler introdujo el término relacionado pero mejor entendido "fabricación molecular", que definió como la "síntesis química programada de estructuras complejas mediante el posicionamiento mecánico de moléculas reactivas, no mediante la manipulación de átomos individuales".

Este artículo trata principalmente sobre "ensambladores moleculares" en el sentido popular. Estos incluyen máquinas hipotéticas que manipulan átomos individuales y máquinas con habilidades de autorreplicación similares a las de un organismo, movilidad, capacidad para consumir alimentos, etc. Estos son bastante diferentes de los dispositivos que simplemente (como se define anteriormente) "guían las reacciones químicas colocando moléculas reactivas con precisión atómica".

Debido a que nunca se han construido ensambladores moleculares sintéticos y debido a la confusión sobre el significado del término, ha habido mucha controversia sobre si los "ensambladores moleculares" son posibles o simplemente ciencia ficción. La confusión y la controversia también se derivan de su clasificación como nanotecnología, que es un área activa de investigación de laboratorio que ya se ha aplicado a la producción de productos reales; sin embargo, hasta hace poco tiempo, no había habido esfuerzos de investigación sobre la construcción real de "ensambladores moleculares".

No obstante, un artículo de 2013 del grupo de David Leigh, publicado en la revista Science, detalla un nuevo método para sintetizar un péptido en una secuencia específica mediante el uso de una máquina molecular artificial guiada por una hebra molecular.Esto funciona de la misma manera que un ribosoma que construye proteínas al ensamblar aminoácidos de acuerdo con un plan de ARN mensajero. La estructura de la máquina se basa en un rotaxano, que es un anillo molecular que se desliza a lo largo de un eje molecular. El anillo lleva un grupo tiolato, que elimina los aminoácidos en secuencia del eje, transfiriéndolos a un sitio de ensamblaje peptídico. En 2018, el mismo grupo publicó una versión más avanzada de este concepto en el que el anillo molecular se desplaza a lo largo de una pista polimérica para ensamblar un oligopéptido que puede plegarse en una hélice α que puede realizar la epoxidación enantioselectiva de un derivado de chalcona (de una manera recuerda al ribosoma ensamblando una enzima). En otro artículo publicado en Scienceen marzo de 2015, químicos de la Universidad de Illinois informan sobre una plataforma que automatiza la síntesis de 14 clases de moléculas pequeñas, con miles de bloques de construcción compatibles.

En 2017, el grupo de David Leigh informó sobre un robot molecular que podría programarse para construir cualquiera de los cuatro estereoisómeros diferentes de un producto molecular mediante el uso de un brazo robótico nanomecánico para mover un sustrato molecular entre diferentes sitios reactivos de una máquina molecular artificial. Un artículo adjunto de News and Views, titulado 'Un ensamblador molecular', describía el funcionamiento del robot molecular como un ensamblador molecular prototípico.

Nanofábricas

Una nanofábrica es un sistema propuesto en el que las nanomáquinas (que se asemejan a ensambladores moleculares o brazos de robots industriales) combinarían moléculas reactivas a través de la mecanosíntesis para construir piezas atómicamente precisas más grandes. Estos, a su vez, se ensamblarían mediante mecanismos de posicionamiento de tamaños variados para construir productos macroscópicos (visibles) pero atómicamente precisos.

Una nanofábrica típica cabría en una caja de escritorio, en la visión de K. Eric Drexler publicada en Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992), un notable trabajo de "ingeniería exploratoria". Durante la década de 1990, otros han ampliado el concepto de nanofábrica, incluido un análisis del ensamblaje convergente de nanofábrica por Ralph Merkle, un diseño de sistemas de una arquitectura de nanofábrica replicante por J. Storrs Hall, "Universal Assembler" de Forrest Bishop, el proceso de ensamblaje exponencial patentado por Zyvex, y un diseño de sistemas de alto nivel para una 'nanofábrica primitiva' por Chris Phoenix (director de investigación en el Centro de Nanotecnología Responsable). Todos estos diseños de nanofábricas (y más) se resumen en el Capítulo 4 de Máquinas cinemáticas autorreplicantes(2004) de Robert Freitas y Ralph Merkle. La Colaboración Nanofactory, fundada por Freitas y Merkle en 2000, es un esfuerzo enfocado y continuo que involucra a 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países que está desarrollando una agenda de investigación práctica específicamente dirigida a la mecanosíntesis de diamantes controlada por posición y el desarrollo de nanofábricas de diamantes.

En 2005, John Burch, en colaboración con Drexler, produjo un cortometraje animado por computadora sobre el concepto de nanofábrica. Tales visiones han sido objeto de mucho debate, en varios niveles intelectuales. Nadie ha descubierto un problema insuperable con las teorías subyacentes y nadie ha probado que las teorías se puedan traducir a la práctica. Sin embargo, el debate continúa, y parte de él se resume en el artículo sobre nanotecnología molecular.

Si se pudieran construir nanofábricas, la grave interrupción de la economía mundial sería uno de los muchos impactos negativos posibles, aunque se podría argumentar que esta interrupción tendría poco efecto negativo si todos tuvieran tales nanofábricas. También se anticiparían grandes beneficios. Varias obras de ciencia ficción han explorado estos y otros conceptos similares. El potencial de tales dispositivos fue parte del mandato de un importante estudio del Reino Unido dirigido por la profesora de ingeniería mecánica Dame Ann Dowling.

Autorreplicación

Los "ensambladores moleculares" se han confundido con máquinas autorreplicantes. Para producir una cantidad práctica de un producto deseado, el tamaño a nanoescala de un ensamblador molecular universal típico de ciencia ficción requiere una cantidad extremadamente grande de tales dispositivos. Sin embargo, un solo ensamblador molecular teórico de este tipo podría programarse para autorreplicarse, construyendo muchas copias de sí mismo. Esto permitiría una tasa de producción exponencial. Luego, después de que estuvieran disponibles cantidades suficientes de ensambladores moleculares, se reprogramarían para producir el producto deseado. Sin embargo, si no se restringiera la autorreplicación de los ensambladores moleculares, podría conducir a la competencia con los organismos naturales. Esto se ha llamado ecofagia o el problema de la baba gris.

Un método para construir ensambladores moleculares es imitar los procesos evolutivos empleados por los sistemas biológicos. La evolución biológica avanza por variación aleatoria combinada con la selección de las variantes menos exitosas y la reproducción de las variantes más exitosas. La producción de ensambladores moleculares complejos podría evolucionar a partir de sistemas más simples, ya que "Invariablemente se encuentra que un sistema complejo que funciona evolucionó a partir de un sistema simple que funcionó... Un sistema complejo diseñado desde cero nunca funciona y no puede ser reparado para hacer funciona. Tienes que empezar de nuevo, comenzando con un sistema que funcione". Sin embargo, la mayoría de las pautas de seguridad publicadas incluyen "recomendaciones contra el desarrollo de... diseños de replicadores que permitan sobrevivir a la mutación o experimentar una evolución".

La mayoría de los diseños de ensambladores mantienen el "código fuente" externo al ensamblador físico. En cada paso de un proceso de fabricación, ese paso se lee de un archivo de computadora común y se "transmite" a todos los ensambladores. Si algún ensamblador se sale del alcance de esa computadora, o cuando se rompe el vínculo entre esa computadora y los ensambladores, o cuando se desconecta esa computadora, los ensambladores dejan de replicar. Tal "arquitectura de transmisión" es una de las características de seguridad recomendadas por las "Pautas de prospectiva sobre nanotecnología molecular", y un mapa del espacio de diseño de replicadores de 137 dimensiones publicado recientemente por Freitas y Merkle proporciona numerosos métodos prácticos mediante los cuales los replicadores pueden ser seguros. controlado por un buen diseño.

Debate entre Drexler y Smalley

Uno de los críticos más abiertos de algunos conceptos de "ensambladores moleculares" fue el profesor Richard Smalley (1943-2005), quien ganó el premio Nobel por sus contribuciones al campo de la nanotecnología. Smalley creía que tales ensambladores no eran físicamente posibles y les presentó objeciones científicas. Sus dos objeciones técnicas principales se denominaron "problema de los dedos gordos" y "problema de los dedos pegajosos". Creía que esto excluiría la posibilidad de "ensambladores moleculares" que funcionaran seleccionando y colocando con precisión átomos individuales. Drexler y colaboradores respondieron a estos dos temas en una publicación de 2001.

Smalley también creía que las especulaciones de Drexler sobre los peligros apocalípticos de las máquinas autorreplicantes que han sido equiparadas con "ensambladores moleculares" amenazarían el apoyo público al desarrollo de la nanotecnología. Para abordar el debate entre Drexler y Smalley sobre ensambladores moleculares , Chemical & Engineering News publicó un punto-contrapunto consistente en un intercambio de cartas que abordaba los temas.

Regulación

La especulación sobre el poder de los sistemas que han sido llamados "ensambladores moleculares" ha provocado una discusión política más amplia sobre las implicaciones de la nanotecnología. Esto se debe en parte al hecho de que la nanotecnología es un término muy amplio y podría incluir "ensambladores moleculares". La discusión de las posibles implicaciones de los ensambladores moleculares fantásticos ha dado lugar a llamados para la regulación de la nanotecnología actual y futura. Existen preocupaciones muy reales sobre el impacto potencial en la salud y la ecología de la nanotecnología que se está integrando en los productos manufacturados. Greenpeace, por ejemplo, encargó un informe sobre nanotecnología en el que expresa su preocupación por la toxicidad de los nanomateriales que se han introducido en el medio ambiente.Sin embargo, solo hace referencias pasajeras a la tecnología de "ensamblador". La Royal Society y la Royal Academy of Engineering del Reino Unido también encargaron un informe titulado "Nanociencia y nanotecnologías: oportunidades e incertidumbres" sobre las implicaciones sociales y ecológicas más amplias de la nanotecnología. Este informe no discute la amenaza que representan los llamados "ensambladores moleculares".

Revisión científica formal

En 2006, la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. publicó el informe de un estudio de fabricación molecular como parte de un informe más extenso, A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative. El comité de estudio revisó el contenido técnico de Nanosystems, y en su La conclusión establece que ningún análisis teórico actual puede considerarse definitivo con respecto a varias cuestiones del rendimiento potencial del sistema, y ​​que las rutas óptimas para implementar sistemas de alto rendimiento no pueden predecirse con confianza. Recomienda la investigación experimental para avanzar en el conocimiento en esta área:"Aunque hoy se pueden hacer cálculos teóricos, el rango eventualmente alcanzable de ciclos de reacción química, tasas de error, velocidad de operación y eficiencias termodinámicas de tales sistemas de fabricación de abajo hacia arriba no se pueden predecir de manera confiable en este momento. Por lo tanto, la perfección y la eficiencia eventualmente alcanzables". la complejidad de los productos fabricados, si bien se pueden calcular en teoría, no se puede predecir con confianza.Finalmente, los caminos de investigación óptimos que podrían conducir a sistemas que superen en gran medida las eficiencias termodinámicas y otras capacidades de los sistemas biológicos no se pueden predecir de manera confiable en este momento. La financiación de la investigación que se basa en la capacidad de los investigadores para producir demostraciones experimentales que se vinculen con modelos abstractos y guíen la visión a largo plazo es la más adecuada para lograr este objetivo".

Sustancia gris

Un escenario potencial que se ha previsto es ensambladores moleculares autorreplicantes fuera de control en forma de sustancia viscosa gris que consume carbono para continuar su replicación. Si no se controla, dicha replicación mecánica podría potencialmente consumir ecorregiones enteras o toda la Tierra (ecofagia), o simplemente podría superar a las formas de vida naturales por los recursos necesarios como el carbono, el ATP o la luz ultravioleta (que funcionan con algunos ejemplos de nanomotores). Sin embargo, los escenarios de la ecofagia y la 'sustancia gris', como los ensambladores moleculares sintéticos, se basan en tecnologías todavía hipotéticas que aún no se han demostrado experimentalmente.