Ensamblador molecular

Un ensamblador molecular , según la definición de K. Eric Drexler , es un "dispositivo propuesto capaz de guiar las reacciones químicas mediante el posicionamiento de moléculas reactivas con precisión atómica". Un ensamblador molecular es un tipo de máquina molecular . Algunas moléculas biológicas, como los ribosomas, encajan en 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 creados por el hombre.

A partir de 2007, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas británico 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 auspiciado 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. ^[1] En 2008, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas proporcionó financiación de £ 1,5 millones durante seis años (£ 1.942.235,57, $ 2.693.808,00 en 2021 ^[2] ) para la investigación que trabaja hacia la mecanosíntesis mecanizada , en asociación con el Instituto de Fabricación Molecular, entre otros. ^[3]

De la misma manera, el término "ensamblador molecular" se ha utilizado en la ciencia ficción y la cultura popular para referirse a una amplia gama de fantásticas nanomáquinas que manipulan átomos. Gran parte de la controversia en torno a los "ensambladores moleculares" resulta de la confusión en el uso del nombre tanto para conceptos técnicos como para fantasías populares. En 1992, Drexler introdujo el término relacionado pero mejor comprendido "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". ^[4]

En este artículo se habla principalmente de "ensambladores moleculares" en el sentido popular. Entre ellos se incluyen máquinas hipotéticas que manipulan átomos individuales y máquinas con capacidades de autorreplicación , movilidad, capacidad de consumir alimentos, etc., similares a las de los organismos. Son muy diferentes de los dispositivos que simplemente (como se definió anteriormente) "guían las reacciones químicas posicionando moléculas reactivas con precisión atómica".

Como 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 surgen 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 ^{[¿ cuándo? ]} no había habido ningún esfuerzo de investigación sobre la construcción real de "ensambladores moleculares".

Sin embargo, un artículo de 2013 del grupo de David Leigh , publicado en la revista Science , detalla un nuevo método para sintetizar un péptido de una manera específica de secuencia mediante el uso de una máquina molecular artificial guiada por una hebra molecular. ^[5] Esto funciona de la misma manera que un ribosoma que construye proteínas ensamblando aminoácidos de acuerdo con un modelo 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 aminoácidos en secuencia del eje, transfiriéndolos a un sitio de ensamblaje de péptidos. 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 que recuerda al ribosoma que ensambla una enzima ). ^[6] En otro artículo publicado en Science en 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. ^[7]

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 utilizando un brazo robótico nanomecánico para mover un sustrato molecular entre diferentes sitios reactivos de una máquina molecular artificial. ^[8] Un artículo adjunto de News and Views, titulado 'Un ensamblador molecular', describió el funcionamiento del robot molecular como efectivamente un ensamblador molecular prototípico. ^[9]

Una nanofábrica es un sistema propuesto en el que nanomáquinas (similares a ensambladores moleculares o brazos robóticos industriales) combinarían moléculas reactivas mediante mecanosíntesis para construir piezas más grandes y atómicamente precisas. Estas, a su vez, se ensamblarían mediante mecanismos de posicionamiento de distintos tamaños para construir productos macroscópicos (visibles) pero aún así atómicamente precisos.

Una nanofábrica típica cabría en una caja de escritorio, según 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 nanofábricas por Ralph Merkle , un diseño de sistemas de una arquitectura de nanofábrica replicante por J. Storrs Hall , el "ensamblador universal" 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 para la Nanotecnología Responsable). Todos estos diseños de nanofábricas (y más) se resumen en el Capítulo 4 de Kinematic Self-Replicating Machines (2004) de Robert Freitas y Ralph Merkle. La Nanofactory Collaboration, ^[10] fundada por Freitas y Merkle en 2000, es un esfuerzo continuo y centrado que involucra a 23 investigadores de 10 organizaciones y 4 países que está desarrollando una agenda de investigación práctica ^{[11] dirigida específicamente a la mecanosíntesis} de diamantes controlada posicionalmente y al desarrollo de nanofábricas de diamantoides .

En 2005, John Burch produjo un cortometraje animado sobre el concepto de nanofábrica, en colaboración con Drexler. Estas visiones han sido objeto de mucho debate en varios niveles intelectuales. Nadie ha descubierto un problema insalvable con las teorías subyacentes y nadie ha demostrado que las teorías se puedan trasladar 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, uno de los muchos posibles impactos negativos sería la grave perturbación de la economía mundial , aunque se podría argumentar que esta perturbación tendría poco efecto negativo si todos tuvieran esas nanofábricas. También se anticiparían grandes beneficios. Varias obras de ciencia ficción han explorado estos conceptos y otros similares. El potencial de esos dispositivos fue parte del mandato de un importante estudio del Reino Unido dirigido por la profesora de ingeniería mecánica Dame Ann Dowling .

Los "ensambladores moleculares" se han confundido con máquinas autorreplicantes. Para producir una cantidad práctica de un producto deseado, el tamaño nanométrico 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 que se autorreplicara , construyendo muchas copias de sí mismo. Esto permitiría una tasa exponencial de producción. Luego, una vez que estuvieran disponibles cantidades suficientes de ensambladores moleculares, se los reprogramaría para la producción del producto deseado. Sin embargo, si no se restringiera la autorreplicación de los ensambladores moleculares, podría conducir a una competencia con organismos naturales. Esto se ha llamado ecofagia o el problema de la sustancia viscosa gris . ^[12]

Un método para construir ensambladores moleculares es imitar los procesos evolutivos empleados por los sistemas biológicos. La evolución biológica se produce por variación aleatoria combinada con la eliminación de las variantes menos exitosas y la reproducción de las variantes más exitosas. La producción de ensambladores moleculares complejos podría desarrollarse a partir de sistemas más simples, ya que "un sistema complejo que funciona invariablemente ha evolucionado a partir de un sistema simple que funcionaba... Un sistema complejo diseñado desde cero nunca funciona y no se puede arreglar para que funcione. Hay que empezar de nuevo, empezando con un sistema que funciona". ^[13] Sin embargo, la mayoría de las pautas de seguridad publicadas incluyen "recomendaciones contra el desarrollo de... diseños de replicadores que permitan sobrevivir a mutaciones o experimentar evolución". ^[14]

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 desde 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 interrumpe el vínculo entre esa computadora y los ensambladores, o cuando esa computadora se desconecta, los ensambladores dejan de replicarse. Esta "arquitectura de transmisión" es una de las características de seguridad recomendadas por las "Directrices de previsión sobre nanotecnología molecular", y un mapa del espacio de diseño de replicadores de 137 dimensiones ^[15] publicado recientemente por Freitas y Merkle proporciona numerosos métodos prácticos mediante los cuales los replicadores pueden controlarse de forma segura mediante un buen diseño.

Uno de los críticos más abiertos de algunos conceptos de "ensambladores moleculares" fue el profesor Richard Smalley (1943-2005), que ganó el premio Nobel por sus contribuciones al campo de la nanotecnología . Smalley creía que tales ensambladores no eran físicamente posibles y presentó objeciones científicas a ellos. Sus dos principales objeciones técnicas se denominaron "problema de los dedos gordos" y "problema de los dedos pegajosos". Creía que estas excluirían la posibilidad de "ensambladores moleculares" que funcionaran mediante la selección y colocación precisa de átomos individuales. Drexler y sus colaboradores respondieron a estas dos cuestiones ^[16] en una publicación de 2001.

Smalley también creía que las especulaciones de Drexler sobre los peligros apocalípticos de las máquinas autorreplicantes que se han equiparado a los "ensambladores moleculares" amenazarían el apoyo público al desarrollo de la nanotecnología. Para abordar el debate entre Drexler y Smalley sobre los ensambladores moleculares, Chemical & Engineering News publicó un contrapunto consistente en un intercambio de cartas que abordaban las cuestiones. ^[4]

La especulación sobre el poder de los sistemas que se han denominado "ensambladores moleculares" ha provocado un debate político más amplio 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". El debate sobre las posibles implicaciones de los fantásticos ensambladores moleculares ha dado lugar a llamamientos a favor de la regulación de la nanotecnología actual y futura. Existen preocupaciones muy reales sobre el posible impacto ecológico y sanitario 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. ^[17] Sin embargo, sólo hace referencias pasajeras a la tecnología de "ensambladores". La Royal Society y la Royal Academy of Engineering del Reino Unido también encargaron un informe titulado "Nanociencia y nanotecnologías: oportunidades e incertidumbres" ^[18] sobre las implicaciones sociales y ecológicas más amplias de la nanotecnología. Este informe no analiza la amenaza que plantean los llamados "ensambladores moleculares".

En 2006, la Academia Nacional de Ciencias de Estados Unidos publicó el informe de un estudio sobre fabricación molecular (no ensambladores moleculares per se) como parte de un informe más extenso, A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative ^[19]. El comité de estudio revisó el contenido técnico de Nanosystems y en su conclusión afirma que ningún análisis teórico actual puede considerarse definitivo con respecto a varias cuestiones de rendimiento potencial del sistema y que no se pueden predecir con confianza los caminos óptimos para implementar sistemas de alto rendimiento. Recomienda la financiación de la investigación experimental para producir demostraciones experimentales en esta área:

     "Aunque hoy en día se pueden hacer cálculos teóricos, no se puede predecir con fiabilidad el rango de ciclos de reacción química, las tasas de error, la velocidad de operación y las eficiencias termodinámicas que se pueden alcanzar en estos sistemas de fabricación de abajo a arriba. Por lo tanto, la perfección y la complejidad que se pueden alcanzar en el futuro en los productos manufacturados, si bien se pueden calcular en teoría, no se pueden predecir con seguridad. Por último, no se pueden predecir con fiabilidad en este momento los caminos de investigación óptimos que podrían llevar a sistemas que superen en gran medida las eficiencias termodinámicas y otras capacidades de los sistemas biológicos. La financiación de la investigación basada 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 alcanzar este objetivo".

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

• Molecular Dynamics Studio (2016), programa gratuito de código abierto de modelado y simulación multiescala para nanocompuestos con soporte especial para nanotecnología de ADN estructural (originalmente Nanoengineer-1 de Nanorex)
• Nano-Hive: Nanospace Simulator (2006) software libre para modelar entidades nanotecnológicas
• Directrices prospectivas para el desarrollo responsable de la nanotecnología (2006) de tecnologías de fabricación molecular
• Centro de Nanotecnología Responsable (2008)
• Sitio web de Molecular Assembler (2008)
• Furia contra la máquina (verde) (2003) en Wired
• El gobierno lanza un estudio sobre nanotecnología en el Reino Unido EducationGuardian, 11 de junio de 2003
• Desentrañando el gran debate sobre las máquinas pequeñas (2004) de BetterHumans.com
• Consideraciones de diseño para un ensamblador (1995) por Ralph Merkle
• Máquinas autorreplicantes cinemáticas: libro técnico en línea: primer estudio exhaustivo de ensambladores moleculares (2004) de Robert Freitas y Ralph Merkle
• Diseño de una nanofábrica primitiva (2003)
• Vídeo - Nanofábrica en acción (2006)
• Tecnología de nanofábrica
• Revisión de la fabricación molecular
• Nanosistemas integrados para la fabricación con precisión atómica: taller del Departamento de Energía de los Estados Unidos , 5 y 6 de agosto de 2015