Wikipedista:Hugo/Molekulární assembler

Z Wikipedie, otevřené encyklopedie
ikona
Tato stránka potřebuje úpravy.
Můžete Wikipedii pomoci tím, že ji vylepšíte.
Konkrétní problémy: Lepší encyklopedický styl, reference

Molekulární assembler, jak jej definoval K. Eric Drexler, je "navržené zařízení schopné řídit chemické reakce umístěním reaktivních molekul s atomární přesností". Molekulární assembler je druh molekulárního stroje. Této definici odpovídají některé biologické molekuly, například ribozomy. Je tomu tak proto, že přijímají instrukce z messengerové RNA a následně sestavují specifické sekvence aminokyselin pro konstrukci molekul bílkovin. Termín "molekulární assembler" však obvykle označuje teoretická zařízení vyrobená člověkem.

Od roku 2007 financuje britská Rada pro výzkum v oblasti inženýrství a fyzikálních věd vývoj molekulárních assemblerů podobných ribozomům. Je zřejmé, že molekulární assemblery jsou v tomto omezeném smyslu možné. Projekt technologického plánu, který vedl Battelle Memorial Institute a který hostilo několik amerických národních laboratoří, zkoumal řadu atomárně přesných výrobních technologií, včetně rané generace i dlouhodobých vyhlídek na programovatelnou molekulární montáž; zpráva byla zveřejněna v prosinci 2007. V roce 2008 poskytla Rada pro výzkum v oblasti inženýrství a fyzikálních věd finanční prostředky ve výši 1,5 milionu liber na šest let na výzkum směřující k mechanizované mechanosyntéze, mimo jiné ve spolupráci s Institutem pro molekulární výrobu.[1] In 2008 the Engineering and Physical Sciences Research Council provided funding of 1.5 million pounds over six years for research working towards mechanized mechanosynthesis, in partnership with the Institute for Molecular Manufacturing, amongst others.[2]

Stejně tak se termín "molekulární montér" používá ve vědeckofantastické literatuře a populární kultuře pro označení široké škály fantastických nanostrojů manipulujících s atomy, z nichž mnohé mohou být ve skutečnosti fyzikálně nemožné. Velká část kontroverzí týkajících se "molekulárních assemblerů" vyplývá ze záměny v používání tohoto názvu jak pro technické koncepty, tak pro populární fantazie. V roce 1992 Drexler zavedl příbuzný, ale lépe srozumitelný termín "molekulární výroba", který definoval jako programovanou "chemickou syntézu složitých struktur mechanickým umístěním reaktivních molekul, nikoliv manipulací s jednotlivými atomy".

Tento článek pojednává především o "molekulárních montérech" v populárním smyslu. Patří mezi ně hypotetické stroje, které manipulují s jednotlivými atomy, a stroje se schopností sebereplikace, pohyblivosti, schopnosti přijímat potravu atd. podobně jako organismus. Ty jsou zcela odlišné od zařízení, která pouze (jak je definováno výše) "řídí chemické reakce tím, že umísťují reaktivní molekuly s atomovou přesností".

Vzhledem k tomu, že syntetické molekulární assemblery nebyly nikdy sestrojeny, a vzhledem k nejasnostem ohledně významu tohoto pojmu se vedou spory o to, zda jsou "molekulární assemblery" možné, nebo zda jsou pouhou science fiction. Zmatek a kontroverze pramení také z jejich zařazení mezi nanotechnologie, což je aktivní oblast laboratorního výzkumu, která již byla aplikována na výrobu skutečných produktů; donedávna však neexistovaly žádné výzkumné snahy o skutečnou konstrukci "molekulárních assemblerů".

Nicméně článek skupiny Davida Leigha z roku 2013, publikovaný v časopise Science, podrobně popisuje novou metodu syntézy peptidu specifickým sekvenčním způsobem pomocí umělého molekulárního stroje, který je veden molekulárním vláknem. Ten funguje stejně jako ribozom, který sestavuje bílkoviny sestavováním aminokyselin podle předlohy messengerové RNA. Struktura stroje je založena na rotaxanu, což je molekulární prstenec klouzající po molekulární ose. Prstenec nese thiolovou skupinu, která z osy postupně odstraňuje aminokyseliny a přenáší je do místa sestavení peptidu. V roce 2018 stejná skupina publikovala pokročilejší verzi tohoto konceptu, v níž se molekulární kroužek pohybuje po polymerní dráze a sestavuje oligopeptid, který se může skládat do α-helixu, jenž může provádět enantioselektivní epoxidaci chalkonového derivátu (způsobem připomínajícím ribozom sestavující enzym). V jiném článku publikovaném v časopise Science v březnu 2015 chemici z Illinoiské univerzity informují o platformě, která automatizuje syntézu 14 tříd malých molekul s tisíci kompatibilními stavebními bloky.

V roce 2017 skupina Davida Leigha informovala o molekulárním robotovi, kterého lze naprogramovat tak, aby zkonstruoval kterýkoli ze čtyř různých stereoizomerů molekulárního produktu pomocí nanomechanického robotického ramene, které přesouvá molekulární substrát mezi různými reaktivními místy umělého molekulárního stroje. V doprovodném článku News and Views s názvem "Molekulární montér" bylo popsáno fungování molekulárního robota jako účinného prototypu molekulárního montéra.

Nanotovárny[editovat | editovat zdroj]

Nanotovárna je navrhovaný systém, ve kterém by nanostroje (podobné molekulárním montérům nebo průmyslovým robotickým ramenům) spojovaly reaktivní molekuly pomocí mechanosyntézy a vytvářely větší atomárně přesné součásti. Ty by se zase sestavovaly polohovacími mechanismy různých velikostí a vytvářely by makroskopické (viditelné), ale stále atomárně přesné výrobky.


Typická nanotovárna by se podle vize K. Erica Drexlera zveřejněné v časopise Nanosystems vešla do stolní krabice: (1992), pozoruhodném díle "průzkumného inženýrství". V 90. letech 20. století rozšířili koncept nanofabrik i další autoři, včetně analýzy konvergentní montáže nanofabrik Ralpha Merkleho, systémového návrhu replikující se architektury nanofabrik J. Storrse Halla, "univerzálního assembleru" Forresta Bishopa, patentovaného exponenciálního montážního procesu společnosti Zyvex a systémového návrhu nejvyšší úrovně pro "primitivní nanofabriku" Chrise Phoenixe (ředitele výzkumu v Centru pro odpovědnou nanotechnologii). Všechny tyto návrhy nanotováren (a další) jsou shrnuty v kapitole 4 knihy Kinematic Self-Replicating Machines (2004) od Roberta Freitase a Ralpha Merkleho. Nanofactory Collaboration, kterou Freitas a Merkle založili v roce 2000, je soustředěným pokračujícím úsilím zahrnujícím 23 výzkumných pracovníků z 10 organizací a 4 zemí, které vyvíjí praktický výzkumný program zaměřený konkrétně na polohově řízenou mechanosyntézu diamantů a vývoj diamondoidních nanotováren.

V roce 2005 byl ve spolupráci s Drexlerem natočen počítačem animovaný krátký film o konceptu nanofactory, který vytvořil John Burch. Tyto vize byly předmětem mnoha diskusí na několika intelektuálních úrovních. Nikdo neobjevil nepřekonatelný problém v základních teoriích a nikdo nedokázal, že teorie lze převést do praxe. Debata však pokračuje a některé z nich jsou shrnuty v článku o molekulární nanotechnologii.

Pokud by se podařilo vybudovat nanotovárny, jedním z mnoha možných negativních dopadů by bylo vážné narušení světové ekonomiky, i když lze namítnout, že toto narušení by mělo jen malý negativní vliv, pokud by takové nanotovárny měli všichni. Očekávaly by se také velké přínosy. Těmito a podobnými koncepty se zabývají různá díla science fiction. Potenciál takových zařízení byl součástí zadání rozsáhlé britské studie, kterou vedla profesorka strojního inženýrství Dame Ann Dowlingová.

Samoreplikace[editovat | editovat zdroj]

"Molekulární assemblery" byly zaměňovány se samoreplikujícími se stroji. K výrobě praktického množství požadovaného produktu, který má velikost nanoměřítka typického univerzálního molekulárního assembleru z oblasti science fiction, je zapotřebí extrémně velký počet takových zařízení. Jeden takový teoretický molekulární assembler by však mohl být naprogramován tak, aby se sám replikoval a vytvářel mnoho svých kopií. To by umožnilo exponenciální rychlost výroby. Poté, co by bylo k dispozici dostatečné množství molekulárních assemblerů, by byly přeprogramovány pro výrobu požadovaného produktu. Pokud by však samoreplikace molekulárních assemblerů nebyla omezena, mohlo by to vést ke konkurenci s přirozeně se vyskytujícími organismy. Tento problém byl nazván ekofágie nebo problém šedé sliznice.

Jednou z metod budování molekulárních assemblerů je napodobování evolučních procesů používaných biologickými systémy. Biologická evoluce probíhá náhodnou variací kombinovanou s vyřazováním méně úspěšných variant a reprodukcí úspěšnějších variant. Výroba složitých molekulárních assemblerů by se mohla vyvinout z jednodušších systémů, protože "Složitý systém, který funguje, se vždy vyvinul z jednoduchého systému, který fungoval. . . . Složitý systém navržený od nuly nikdy nefunguje a nelze jej opravit tak, aby fungoval. Je třeba začít znovu, a to od systému, který funguje." Většina publikovaných bezpečnostních pokynů však obsahuje "doporučení nevyvíjet ... konstrukce replikátorů, které umožňují přežití mutací nebo podléhání evoluci".

Většina návrhů asemblerů uchovává "zdrojový kód" mimo fyzický asembler. V každém kroku výrobního procesu je tento krok načten z běžného počítačového souboru a "vysílán" do všech assemblerů. Pokud se některý assembler dostane mimo dosah tohoto počítače, nebo když je spojení mezi tímto počítačem a assemblery přerušeno, nebo když je tento počítač odpojen, assemblery přestanou replikovat. Taková "vysílací architektura" je jedním z bezpečnostních prvků doporučených ve "Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology" a mapa 137rozměrného návrhového prostoru replikátorů, kterou nedávno zveřejnili Freitas a Merkle, poskytuje řadu praktických metod, pomocí nichž lze replikátory bezpečně řídit pomocí dobrého návrhu.

Debata Drexlera a Smalleyho[editovat | editovat zdroj]

Hlavní článek: Drexlerova a Smalleyho debata o molekulární nanotechnologii Jedním z nejvýraznějších kritiků některých koncepcí "molekulárních assemblerů" byl profesor Richard Smalley (1943-2005), který za svůj přínos v oblasti nanotechnologií získal Nobelovu cenu. Smalley se domníval, že takové assemblery nejsou fyzikálně možné, a představil proti nim vědecké námitky. Jeho dvě hlavní technické námitky byly označeny jako "problém tlustých prstů" a "problém lepkavých prstů". Domníval se, že by vyloučily možnost "molekulárních assemblerů", které by fungovaly na základě přesného vybírání a umisťování jednotlivých atomů. Drexler a jeho spolupracovníci na tyto dva problémy reagovali v publikaci z roku 2001.

Smalley se také domníval, že Drexlerovy spekulace o apokalyptickém nebezpečí samoreplikujících se strojů, které byly přirovnány k "molekulárním assemblerům", by ohrozily veřejnou podporu rozvoje nanotechnologií. K diskusi mezi Drexlerem a Smalleyem ohledně molekulárních assemblerů zveřejnil časopis Chemical & Engineering News bodový protipól sestávající z výměny dopisů, které se zabývaly těmito otázkami.

Regulace[editovat | editovat zdroj]

Spekulace o síle systémů, které byly nazvány "molekulární assemblery", vyvolaly širší politickou diskusi o důsledcích nanotechnologií. To je částečně způsobeno skutečností, že nanotechnologie je velmi široký pojem a může zahrnovat i "molekulární assemblery". Diskuse o možných důsledcích fantastických molekulárních assemblerů vyvolala volání po regulaci současných a budoucích nanotechnologií. Existují velmi reálné obavy z možných zdravotních a ekologických dopadů nanotechnologií, které jsou integrovány do vyráběných produktů. Například organizace Greenpeace si nechala vypracovat zprávu týkající se nanotechnologií, v níž vyjadřuje obavy z toxicity nanomateriálů, které se dostaly do životního prostředí. O technologii "assemblerů" se však zmiňuje jen okrajově. Britská Královská společnost a Královská akademie inženýrství rovněž zadaly vypracování zprávy s názvem "Nanověda a nanotechnologie: příležitosti a nejistoty" týkající se širších sociálních a ekologických důsledků nanotechnologií. Tato zpráva se nezabývá hrozbou, kterou představují potenciální takzvané "molekulární assemblery".

Formální vědecký přezkum[editovat | editovat zdroj]

V roce 2006 vydala Národní akademie věd USA zprávu o studii molekulární výroby jako součást delší zprávy "A Matter of Size: Výbor pro studii přezkoumal technický obsah nanosystémů a ve svém závěru uvádí, že žádnou současnou teoretickou analýzu nelze považovat za definitivní, pokud jde o několik otázek potenciální výkonnosti systému, a že optimální cesty pro realizaci vysoce výkonných systémů nelze s jistotou předpovědět. Doporučuje experimentální výzkum k prohloubení znalostí v této oblasti:

"Přestože dnes lze provést teoretické výpočty, nelze v současné době spolehlivě předpovědět případně dosažitelný rozsah chemických reakčních cyklů, chybovost, rychlost provozu a termodynamickou účinnost takových výrobních systémů zdola nahoru. Proto nakonec dosažitelnou dokonalost a složitost vyráběných produktů sice lze teoreticky vypočítat, ale nelze je spolehlivě předpovědět. A konečně, optimální cesty výzkumu, které by mohly vést k systémům, jež výrazně překračují termodynamickou účinnost a další možnosti biologických systémů, nelze v současné době spolehlivě předpovědět. K dosažení tohoto cíle je nejvhodnější financování výzkumu, které je založeno na schopnosti řešitelů vytvářet experimentální demonstrace, jež jsou propojeny s abstraktními modely a určují dlouhodobou vizi."

Grey goo[editovat | editovat zdroj]

Jedním z možných předpokládaných scénářů jsou nekontrolovatelné samoreplikující se molekulární assemblery v podobě šedého slizu, který spotřebovává uhlík, aby mohl pokračovat ve své replikaci. Pokud by se taková mechanická replikace nekontrolovala, mohla by potenciálně pohltit celé ekoregiony nebo celou Zemi (ekofágie), nebo by mohla jednoduše konkurovat přírodním formám života o nezbytné zdroje, jako je uhlík, ATP nebo UV světlo (na kterém některé příklady nanomotorů fungují). Scénáře ekofágie a "šedé hmoty", stejně jako syntetické molekulární assemblery, jsou však založeny na stále ještě hypotetických technologiích, které dosud nebyly experimentálně prokázány.

Reference[editovat | editovat zdroj]

  1. ↑ Productive Nanosystems: A Technology Roadmap [online]. Dostupné online. 
  2. ↑ Grants on the Web [online]. Dostupné v archivu pořízeném z originálu dne November 4, 2011. 

Externí odkazy[editovat | editovat zdroj]

Citováno z „https://cs.wikipedia.org/w/index.php?title=Wikipedista:Hugo/Molekulární_assembler&oldid=20553212“