Montador molecular - Molecular assembler

Um montador molecular , conforme definido por K. Eric Drexler , é um "dispositivo proposto capaz de guiar reações químicas posicionando moléculas reativas com precisão atômica". Um montador molecular é uma espécie de máquina molecular . Algumas moléculas biológicas, como os ribossomos, se encaixam nessa definição. Isso ocorre porque eles recebem instruções do RNA mensageiro e, em seguida, montam sequências específicas de aminoácidos para construir moléculas de proteína . No entanto, o termo "montador molecular" geralmente se refere a dispositivos teóricos feitos pelo homem.

A partir de 2007, o Conselho Britânico de Pesquisa de Engenharia e Ciências Físicas financiou o desenvolvimento de montadores moleculares semelhantes aos do ribossomo . Claramente, montadores moleculares são possíveis neste sentido limitado. Um projeto de roteiro de tecnologia, liderado pelo Battelle Memorial Institute e hospedado por vários Laboratórios Nacionais dos EUA , explorou uma gama de tecnologias de fabricação atomicamente precisas, incluindo perspectivas de geração inicial e de longo prazo para montagem molecular programável; o relatório foi divulgado em dezembro de 2007. Em 2008, o Conselho de Pesquisa de Ciências Físicas e de Engenharia forneceu financiamento de £ 1,5 milhão ao longo de seis anos (£ 1.942.235,57, $ 2.693.808,00 em 2021) para pesquisas que trabalham com mecanossíntese mecanizada , em parceria com o Instituto de Molecular Fabricação, entre outros.

Da mesma forma, o termo "montador molecular" tem sido usado na ficção científica e na cultura popular para se referir a uma ampla gama de fantásticas nanomáquinas manipuladoras de átomos, muitas das quais podem ser fisicamente impossíveis na realidade. Grande parte da controvérsia a respeito dos "montadores moleculares" resulta da confusão no uso do nome tanto para conceitos técnicos quanto para fantasias populares. Em 1992, Drexler introduziu o termo relacionado, mas mais bem compreendido, "manufatura molecular", que ele definiu como a " síntese química programada de estruturas complexas pelo posicionamento mecânico de moléculas reativas, não pela manipulação de átomos individuais".

Este artigo discute principalmente "montadores moleculares" no sentido popular. Isso inclui máquinas hipotéticas que manipulam átomos individuais e máquinas com habilidades autoreplicantes semelhantes a organismos , mobilidade, capacidade de consumir alimentos e assim por diante. Eles são bem diferentes dos dispositivos que meramente (conforme definido acima) "guiam as reações químicas posicionando moléculas reativas com precisão atômica".

Como os montadores moleculares sintéticos nunca foram construídos e devido à confusão quanto ao significado do termo, tem havido muita controvérsia sobre se os "montadores moleculares" são possíveis ou simplesmente ficção científica. A confusão e a controvérsia decorrem também de sua classificação como nanotecnologia , que é uma área ativa de pesquisa laboratorial já aplicada à produção de produtos reais; entretanto, até recentemente, não havia nenhum esforço de pesquisa na construção real de "montadores moleculares".

No entanto, um artigo de 2013 do grupo de David Leigh , publicado na revista Science , detalha um novo método de sintetizar um peptídeo de uma maneira específica de sequência usando uma máquina molecular artificial que é guiada por uma fita molecular. Isso funciona da mesma maneira que um ribossomo construtor de proteínas, reunindo aminoácidos de acordo com um projeto de RNA mensageiro. A estrutura da máquina é baseada em um rotaxano , que é um anel molecular que desliza ao longo de um eixo molecular. O anel carrega um grupo tiolato , que remove aminoácidos em sequência do eixo, transferindo-os para um local de montagem do peptídeo. Em 2018, o mesmo grupo publicou uma versão mais avançada desse conceito em que o anel molecular se desloca ao longo de uma trilha polimérica para montar um oligopeptídeo que pode se dobrar em uma α-hélice que pode realizar a epoxidação enantiosseletiva de um derivado de chalcona (de certa forma uma reminiscência do ribossomo montando uma enzima ). Em outro artigo publicado na Science em março de 2015, químicos da Universidade de Illinois relatam uma plataforma que automatiza a síntese de 14 classes de pequenas moléculas , com milhares de blocos de construção compatíveis.

Em 2017, o grupo de David Leigh relatou um robô molecular que poderia ser programado para construir qualquer um dos quatro diferentes estereoisômeros de um produto molecular usando um braço robótico nanomecânico para mover um substrato molecular entre diferentes locais reativos de uma máquina molecular artificial. Um artigo da News and Views, intitulado 'A molecular assembler', descreveu a operação do robô molecular como efetivamente um montador molecular prototípico.

Nanofábricas

Uma nanofábrica é um sistema proposto no qual nanomáquinas (semelhantes a montadores moleculares ou braços de robôs industriais) combinariam moléculas reativas por meio de mecanossíntese para construir partes atomicamente precisas maiores. Estes, por sua vez, seriam montados por mecanismos de posicionamento de tamanhos variados para construir produtos macroscópicos (visíveis), mas ainda atomicamente precisos.

Uma nanofábrica típica caberia em uma caixa de desktop, na visão de K. Eric Drexler publicado em Nanosystems: Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992), um notável trabalho de " engenharia exploratória ". Durante a década de 1990, outros estenderam o conceito de nanofábrica, incluindo uma análise de montagem convergente de nanofábrica por Ralph Merkle , um projeto de sistema de uma arquitetura de nanofábrica replicante de J. Storrs Hall , "Universal Assembler" de Forrest Bishop , o processo de montagem exponencial patenteado pela Zyvex e um projeto de sistema de nível superior para uma 'nanofábrica primitiva' por Chris Phoenix (Diretor de Pesquisa do Centro de Nanotecnologia Responsável). Todos esses projetos de nanofábrica (e mais) estão resumidos no Capítulo 4 de Kinematic Self-Replicating Machines (2004), de Robert Freitas e Ralph Merkle. A Nanofactory Collaboration, fundada por Freitas e Merkle em 2000, é um esforço contínuo e focado envolvendo 23 pesquisadores de 10 organizações e 4 países que está desenvolvendo uma agenda de pesquisa prática especificamente voltada para a mecanossíntese de diamantes com controle posicional e o desenvolvimento da nanofábrica de diamondoides.

Em 2005, um curta-metragem animado por computador do conceito de nanofábrica foi produzido por John Burch, em colaboração com Drexler. Essas visões têm sido objeto de muito debate, em vários níveis intelectuais. Ninguém descobriu um problema intransponível com as teorias subjacentes e ninguém provou que as teorias podem ser traduzidas na prática. No entanto, o debate continua, com parte dele sendo resumido no artigo da nanotecnologia molecular .

Se nanofábricas pudessem ser construídas, uma grave interrupção na economia mundial seria um dos muitos impactos negativos possíveis, embora se possa argumentar que essa interrupção teria pouco efeito negativo, se todos tivessem tais nanofábricas. Grandes benefícios também seriam esperados. Várias obras de ficção científica exploraram esses e outros conceitos semelhantes. O potencial para tais dispositivos fazia parte do mandato de um importante estudo do Reino Unido conduzido pela professora de engenharia mecânica Dame Ann Dowling .

Autorreplicação

"Montadores moleculares" têm sido confundidos com máquinas autorreplicantes. Para produzir uma quantidade prática de um produto desejado, o tamanho em nanoescala de um típico montador molecular universal de ficção científica requer um número extremamente grande de tais dispositivos. No entanto, um único montador molecular teórico pode ser programado para se auto-replicar , construindo muitas cópias de si mesmo. Isso permitiria uma taxa de produção exponencial. Então, depois que quantidades suficientes dos montadores moleculares estivessem disponíveis, eles seriam reprogramados para a produção do produto desejado. No entanto, se a autorreplicação dos montadores moleculares não fosse restringida, ela poderia levar à competição com organismos que ocorrem naturalmente. Isso tem sido chamado de ecofagia ou problema da gosma cinza .

Um método de construção de montadores moleculares é imitar os processos evolutivos empregados pelos sistemas biológicos. A evolução biológica prossegue por variação aleatória combinada com seleção das variantes menos bem-sucedidas e reprodução das variantes mais bem-sucedidas. A produção de montadores moleculares complexos pode ser desenvolvida a partir de sistemas mais simples, uma vez que "Um sistema complexo que funciona invariavelmente evoluiu de um sistema simples que funcionou ... Um sistema complexo projetado do zero nunca funciona e não pode ser corrigido para fazer funciona. Você tem que começar de novo, começando com um sistema que funcione. " No entanto, a maioria das diretrizes de segurança publicadas incluem "recomendações contra o desenvolvimento ... de projetos de replicadores que permitem a mutação de sobrevivência ou evolução em curso".

A maioria dos designs de montador mantém o "código-fonte" externo ao montador físico. Em cada etapa de um processo de fabricação, essa etapa é lida de um arquivo de computador comum e "transmitida" a todos os montadores. Se algum montador ficar fora do alcance daquele computador, ou quando o link entre esse computador e os montadores for interrompido, ou quando o computador for desconectado, os montadores param de replicar. Essa "arquitetura de transmissão" é um dos recursos de segurança recomendados pelas "Diretrizes de Foresight sobre Nanotecnologia Molecular", e um mapa do espaço de projeto do replicador 137-dimensional publicado recentemente por Freitas e Merkle fornece vários métodos práticos pelos quais os replicadores podem ser controlado por um bom design.

Drexler e Smalley debatem

Um dos críticos mais veementes de alguns conceitos de "montadores moleculares" foi o professor Richard Smalley (1943–2005), que ganhou o prêmio Nobel por suas contribuições ao campo da nanotecnologia . Smalley acreditava que tais montadores não eram fisicamente possíveis e apresentou objeções científicas a eles. Suas duas principais objeções técnicas foram denominadas "problema dos dedos gordos" e "problema dos dedos pegajosos". Ele acreditava que isso excluiria a possibilidade de "montadores moleculares" que funcionavam por meio da coleta e colocação precisa de átomos individuais. Drexler e colegas de trabalho responderam a essas duas questões em uma publicação de 2001.

Smalley também acreditava que as especulações de Drexler sobre os perigos apocalípticos das máquinas auto-replicantes que foram equiparadas a "montadores moleculares" ameaçariam o apoio público ao desenvolvimento da nanotecnologia. Para tratar do debate entre Drexler e Smalley a respeito dos montadores moleculares, o Chemical & Engineering News publicou um ponto-contraponto que consiste em uma troca de cartas que abordou as questões.

Regulamento

A especulação sobre o poder dos sistemas que foram chamados de "montadores moleculares" gerou uma discussão política mais ampla sobre as implicações da nanotecnologia. Isso se deve em parte ao fato de que nanotecnologia é um termo muito amplo e poderia incluir "montadores moleculares". A discussão das possíveis implicações de fantásticos montadores moleculares gerou pedidos de regulamentação da nanotecnologia atual e futura. Existem preocupações muito reais com o potencial impacto ecológico e para a saúde da nanotecnologia que está sendo integrada aos produtos manufaturados. O Greenpeace, por exemplo, encomendou um relatório sobre nanotecnologia em que expressa preocupação com a toxicidade dos nanomateriais que foram introduzidos no meio ambiente. No entanto, ele faz apenas referências passageiras à tecnologia "assembler". A Royal Society do Reino Unido e a Royal Academy of Engineering também encomendaram um relatório intitulado "Nanociência e nanotecnologias: oportunidades e incertezas" sobre as implicações sociais e ecológicas mais amplas da nanotecnologia. Este relatório não discute a ameaça representada pelos chamados "montadores moleculares" em potencial.

Revisão científica formal

Em 2006, a Academia Nacional de Ciências dos Estados Unidos divulgou o relatório de um estudo de manufatura molecular como parte de um relatório mais, uma questão de tamanho: Trienal revisão da Iniciativa Nacional de Nanotecnologia O comitê estudo analisou o conteúdo técnico do Nanosystems , e em seu conclusão afirma que nenhuma análise teórica atual pode ser considerada definitiva em relação a várias questões de desempenho do sistema potencial, e que os caminhos ideais para a implementação de sistemas de alto desempenho não podem ser previstos com confiança. Recomenda pesquisas experimentais para avançar o conhecimento nesta área:

"Embora cálculos teóricos possam ser feitos hoje, a faixa eventualmente atingível de ciclos de reação química, taxas de erro, velocidade de operação e eficiências termodinâmicas de tais sistemas de fabricação de baixo para cima não podem ser previstos com segurança neste momento. Assim, a perfeição e A complexidade dos produtos manufaturados, embora possam ser calculados em teoria, não pode ser prevista com confiança. Finalmente, os caminhos de pesquisa ideais que podem levar a sistemas que excedem em muito as eficiências termodinâmicas e outras capacidades dos sistemas biológicos não podem ser previstos com segurança neste momento. O financiamento de pesquisas que se baseia na capacidade dos investigadores de produzir demonstrações experimentais que se vinculam a modelos abstratos e orientam a visão de longo prazo é o mais apropriado para atingir esse objetivo. "

Gosma cinza

Um cenário potencial que foi imaginado são os montadores moleculares auto-replicantes fora de controle na forma de gosma cinza que consome carbono para continuar sua replicação. Se desmarcada, tal replicação mecânica poderia potencialmente consumir ecorregiões inteiras ou toda a Terra ( ecofagia ), ou poderia simplesmente superar formas de vida naturais por recursos necessários, como carbono , ATP ou luz ultravioleta (que funcionam em alguns exemplos nanomotores ). No entanto, os cenários de ecofagia e 'grey goo', como montadores moleculares sintéticos, são baseados em tecnologias ainda hipotéticas que ainda não foram demonstradas experimentalmente.

Veja também

Referências

links externos