Kokooja

Kokooja (assembler) on teoreettinen nanoteknologinen yleisrakennuslaite, joka käsittelee ainetta yksittäisten atomien tai molekyylien tasolla. Kokooja pystyisi siis rakentamaan käytännössä mitä tahansa, mukaan lukien kopioita itsestään, jos sillä olisi käytössään tarvittava määrä raakamateriaalia ja energiaa.

Kokoojassa voi olla ohjaustietokone sisäänrakennettuna tai sitä voidaan ohjata ulkoisesti. Ulkoisesti ohjattua kokoojaa kutsutaan myös fabrikaattoriksi. Itsenäiset kokoojat ovat paljon monimutkaisempia valmistaa ja oletettavasti myös vähemmän tehokkaita kuin fabrikaattorit. Lisäksi ulkoisesti ohjattuihin kokoojiin liittyvät turvallisuusriskit ovat pienempiä.

Insinööri K. Eric Drexlerin määrittelemä molekyylikokoonpanolaite on "ehdotettu laite, joka pystyy ohjaamaan kemiallisia reaktioita sijoittamalla reaktiivisia molekyylejä atomien tarkkuudella". Molekyylikokoonpanokone on eräänlainen molekyylikone. Jotkin biologiset molekyylit, kuten ribosomit, sopivat tähän määritelmään. Tämä johtuu siitä, että ne saavat ohjeita lähetti-RNA:lta ja kokoavat sitten tiettyjä aminohapposekvenssejä proteiinimolekyylien rakentamiseksi. Termi molekyylikokoonpanokone viittaa kuitenkin laajemmin teoreettisiin ihmisen tekemiin laitteisiin.

Ison-Britannian Engineering and Physical Sciences Research Council on vuodesta 2007 alkaen rahoittanut ribosomien kaltaisten molekyylikokoonpanolaitteiden kehittämistä. On selvää, että molekyylikokoonpanijat ovat mahdollisia tässä rajoitetussa merkityksessä. Battelle Memorial Instituten johtamassa ja useiden Yhdysvaltojen kansallisten laboratorioiden isännöimässä teknologiakarttahankkeessa on tutkittu erilaisia atomitarkkoja valmistustekniikoita, mukaan luettuina ohjelmoitavan molekyylikokoonpanon varhaisen sukupolven ja pidemmän aikavälin näkymät; raportti julkaistiin joulukuussa 2007. Vuonna 2008 Engineering and Physical Sciences Research Council myönsi 1,5 miljoonan punnan rahoituksen kuuden vuoden aikana mekanisoitua mekanosynteesiä edistävään tutkimukseen muun muassa Institute for Molecular Manufacturingin kanssa.

Samoin termiä "molekyylikokoonpanokone" on käytetty tieteiskirjallisuudessa ja populaarikulttuurissa monenlaisten fantastisten atomeja manipuloivien nanomaiden valmistamiseen, joista monet saattavat olla fyysisesti mahdottomia todellisuudessa. Suuri osa "molekyylikokoonpanijoihin" liittyvistä kiistoista johtuu siitä, että nimitystä käytetään sekavasti sekä teknisistä käsitteistä että populaarifantasioista. Vuonna 1992 Drexler otti käyttöön samankaltaisen mutta paremmin ymmärrettävän termin molekulaarinen valmistus, jonka hän määritteli ohjelmoiduksi "monimutkaisten rakenteiden kemialliseksi synteesiksi, joka asettaa mekaanisesti reaktiivisia molekyylejä, ei manipuloimalla yksittäisiä atomeja".

Tässä artikkelissa käsitellään lähinnä "molekyylikokoonpanijoita" yleisessä merkityksessä. Niihin kuuluvat hypoteettiset koneet, jotka manipuloivat yksittäisiä atomeja, ja koneet, joilla on organismin kaltaiset itsereplikointikyvyt, liikkuvuus, kyky syödä ruokaa ja niin edelleen. Nämä ovat aivan eri asia kuin laitteet, jotka pelkästään (kuten edellä on määritelty) "ohjaavat kemiallisia reaktioita sijoittamalla reaktiivisia molekyylejä atomien tarkkuudella".

Koska synteettisiä molekyylikokoonpanolaitteita ei ole koskaan rakennettu ja koska termin merkitys on epäselvä, on kiistelty paljon siitä, ovatko "molekyylikokoonpanolaitteet" mahdollisia vai pelkkää tieteiskirjallisuutta. Hämmennystä ja kiistelyä aiheuttaa myös se, että ne luokitellaan nanoteknologiaan, joka on aktiivinen laboratoriotutkimuksen ala, jota on jo sovellettu todellisten tuotteiden valmistukseen; viime aikoihin asti ei kuitenkaan ole tutkittu "molekyylikokoonpanijoiden" todellista rakentamista.

David Leighin ryhmän vuonna 2013 Science-lehdessä julkaisemassa artikkelissa esitellään kuitenkin yksityiskohtaisesti uusi menetelmä, jolla peptidi voidaan syntetisoida sekvenssispesifisesti käyttämällä keinotekoista molekyylikonetta, jota ohjataan molekyylilangan avulla. Tämä toimii samalla tavalla kuin ribosomi, joka rakentaa proteiineja kokoamalla aminohappoja sanansaattaja-RNA:n mallin mukaan. Koneen rakenne perustuu rotaxaaniin, joka on molekyyliakselia pitkin liukuva molekyylirengas. Rengas kantaa tiolaattiryhmää, joka irrottaa aminohappoja järjestyksessä akselilta ja siirtää ne peptidien kokoamispaikalle. Vuonna 2018 sama ryhmä julkaisi kehittyneemmän version tästä konseptista, jossa molekyylirengas sukkuloi polymeeristä rataa pitkin kootakseen oligopeptidin, joka voi taittua α-kierteeksi, joka voi suorittaa enantioselektiivisen epoksidaation kalkonijohdannaiselle (tavalla, joka muistuttaa entsyymiä kokoavaa ribosomia). Toisessa Science-lehdessä maaliskuussa 2015 julkaistussa artikkelissa Illinoisin yliopiston kemistit raportoivat alustasta, joka automatisoi 14 pienmolekyyliluokan synteesin, jossa on tuhansia yhteensopivia rakennuspalikoita.

Vuonna 2017 David Leighin ryhmä raportoi molekyylirobotista, joka voidaan ohjelmoida rakentamaan mikä tahansa molekyylituotteen neljästä eri stereoisomeeristä käyttämällä nanomekaanista robottikäsivartta siirtämään molekyylisubstraattia keinotekoisen molekyylikoneen eri reaktiivisten paikkojen välillä. Oheisessa News and Views -artikkelissa, jonka otsikko oli "A molecular assembler" (molekyylikokoonpanokone), hahmoteltiin molekyylirobotin toimintaa käytännössä prototyyppisenä molekyylikokoonpanokoneena.

Nanotehtaat

Nanotehdas on ehdotettu järjestelmä, jossa nanokoneet (jotka muistuttavat molekyylikokoonpanokoneita tai teollisuusrobotteja) yhdistävät reaktiivisia molekyylejä mekanosynteesin avulla rakentaakseen suurempia, atomisesti tarkkoja osia. Nämä puolestaan koottaisiin yhteen erikokoisten mekanismien avulla makroskooppisten (näkyvien), mutta silti atomisesti tarkkojen tuotteiden rakentamiseksi.

Tyypillinen nanotehdas mahtuisi työpöydän laatikkoon K. Eric Drexlerin Nanosystems-lehdessä Molecular Machinery, Manufacturing and Computation (1992) julkaistun vision mukaan, joka on merkittävä "tutkivan suunnittelun" teos. Muut tutkijat olivat 1990-luvulla laajentaneet nanotehtaan käsitettä. Muun muassa Ralph Merkle analysoi nanotehtaan konvergenttia kokoonpanoa, J. Storrs Hall suunnitteli monistavan nanotehdasarkkitehtuurin, Forrest Bishop kehitti "Universal Assemblerin", Zyvex patentoi eksponentiaalisen kokoonpanoprosessin ja Chris Phoenix (Center for Responsible Nanotechnologyn tutkimuspäällikkö) suunnitteli huipputason järjestelmäsuunnittelun "primitiiviselle nanotehtaalle". Kaikista näistä nanotehtaan suunnitelmista on yhteenveto Robert Freitasin ja Ralph Merklen teoksen Kinematic Self-Replicating Machines (2004) luvussa 4. jonka Freitas ja Merkle perustivat vuonna 2000 Nanofactory Collaboration -hankkeen, johon osallistuu 23 tutkijaa kymmenestä organisaatiosta ja neljästä maasta ja jossa kehitetään käytännöllistä tutkimusohjelmaa erityisesti paikallaan ohjattavaan timanttien mekanosynteesiin ja timantti-nanotehtaiden kehittämiseksi.

Vuonna 2005 John Burch tuotti yhteistyössä Drexlerin kanssa tietokoneanimoidun lyhytelokuvan nanotehtaan konseptista. Tällaisista visioista on käyty paljon keskustelua useilla älyllisillä tasoilla. Kukaan ei ole havainnut ratkaisematonta ongelmaa taustalla olevissa teorioissa, eikä kukaan ole osoittanut, että teoriat voidaan toteuttaa käytännössä. Keskustelu kuitenkin jatkuu, ja osa siitä on tiivistetty molekulaarista nanoteknologiaa käsittelevässä artikkelissa.

Jos nanotehtaita voitaisiin rakentaa, maailmantalouden vakava häiriö olisi yksi monista mahdollisista kielteisistä vaikutuksista, vaikka voidaankin väittää, että tällä häiriöllä ei olisi juurikaan kielteisiä vaikutuksia, jos kaikilla olisi tällaisia nanotehtaita. Myös suuria hyötyjä olisi odotettavissa. Näitä ja vastaavia käsitteitä on käsitelty useissa tieteiskirjallisuuden teoksissa. Tällaisten laitteiden mahdollisuudet olivat osa konetekniikan professori Dame Ann Dowlingin johtaman suuren brittiläisen tutkimuksen toimeksiantoa.

Itsereplikointi

"Molekyylikokoonpanijat" on sekoitettu itsereplikoiviin koneisiin. Jotta haluttua tuotetta voitaisiin valmistaa käytännöllinen määrä, tyypillisen tieteiskirjallisuuden universaalin molekyylikokoonpanokoneen nanokoko edellyttää äärimmäisen suurta määrää tällaisia laitteita. Yksittäinen tällainen teoreettinen molekyylikokoonpanokone voitaisiin kuitenkin ohjelmoida itsensä monistavaksi, jolloin se voisi rakentaa useita kopioita itsestään. Tämä mahdollistaisi eksponentiaalisen tuotantonopeuden. Kun molekyylikokoonpanijoita olisi saatavilla riittävästi, ne ohjelmoitaisiin uudelleen halutun tuotteen tuotantoa varten. Jos molekyylikokoonpanijoiden itsereplikoitumista ei kuitenkaan rajoitettaisi, se saattaisi johtaa kilpailuun luonnossa esiintyvien organismien kanssa. Tätä on kutsuttu ekofagiaksi tai harmaan liman ongelmaksi.

Yksi tapa rakentaa molekyylikokoonpanijoita on jäljitellä biologisten järjestelmien käyttämiä evoluutioprosesseja. Biologinen evoluutio etenee satunnaisen vaihtelun kautta, johon yhdistyy huonommin menestyneiden varianttien karsiminen ja paremmin menestyneiden varianttien lisääntyminen. Monimutkaisten molekyylikokoonpanolaitteiden tuotanto saattaa kehittyä yksinkertaisemmista järjestelmistä, sillä "toimivan monimutkaisen järjestelmän havaitaan poikkeuksetta kehittyneen yksinkertaisesta järjestelmästä, joka toimi". . . Tyhjästä suunniteltu monimutkainen järjestelmä ei koskaan toimi, eikä sitä voida korjata, jotta se toimisi. On aloitettava alusta, aloittaen toimivasta järjestelmästä." Useimmat julkaistut turvallisuusohjeet sisältävät kuitenkin "suosituksia sellaisten replikaattorimallien kehittämistä vastaan, jotka mahdollistavat mutaatioiden selviytymisen tai evoluution".

Useimmissa assembler-malleissa "lähdekoodi" on fyysisen assemblerin ulkopuolella. Valmistusprosessin jokaisessa vaiheessa kyseinen vaihe luetaan tavallisesta tietokonetiedostosta ja "lähetetään" kaikille kokoonpanijoille. Jos jokin kokoonpanolaite joutuu kyseisen tietokoneen kantaman ulkopuolelle, tai jos kyseisen tietokoneen ja kokoonpanolaitteiden välinen yhteys katkeaa, tai jos tietokone irrotetaan pistorasiasta, kokoonpanolaitteet lopettavat kopioinnin. Tällainen "broadcast-arkkitehtuuri" on yksi "Foresight Guidelines on Molecular Nanotechnology" -julkaisussa suositelluista turvallisuusominaisuuksista, ja Freitasin ja Merklen hiljattain julkaisema kartta 137-ulotteisesta replikaattorin suunnitteluavaruudesta tarjoaa lukuisia käytännön menetelmiä, joilla replikaattoreita voidaan turvallisesti valvoa hyvän suunnittelun avulla.

Drexlerin ja Smalleyn väittely

Yksi suorasukaisimmista "molekyylikokoonpanijoiden" joidenkin käsitteiden arvostelijoista oli professori Richard Smalley (1943–2005), joka sai Nobelin palkinnon panoksestaan nanoteknologian alalla. Smalley uskoi, että tällaiset kokoonpanijat eivät ole fysikaalisesti mahdollisia, ja esitti tieteellisiä vastaväitteitä niitä vastaan. Hänen kahta tärkeintä teknistä vastalausettaan kutsuttiin nimillä "fat fingers problem" ja "sticky fingers problem". Hän uskoi, että nämä ongelmat estäisivät sellaisten "molekyylikokoonpanolaitteiden" mahdollisuuden, jotka toimisivat yksittäisten atomien tarkalla poimimisella ja sijoittelulla. Drexler ja työtoverit vastasivat näihin kahteen ongelmaan vuonna 2001 julkaistussa julkaisussa.

Smalley uskoi myös, että Drexlerin spekulaatiot "molekyylikokoonpanijoihin" rinnastettujen itsereplikoivien koneiden apokalyptisistä vaaroista uhkaisivat yleistä tukea nanoteknologian kehittämiselle. Drexlerin ja Smalleyn väittelyä molekyylikokoonpanijoista käsittelemään Chemical & Engineering News julkaisi kirjeenvaihdosta koostuvan vastakkainasettelun, jossa käsiteltiin näitä kysymyksiä.

Sääntely

Spekulaatiot "molekyylikokoonpanijoiksi" kutsuttujen järjestelmien voimasta ovat herättäneet laajempaa poliittista keskustelua nanoteknologian vaikutuksista. Tämä johtuu osittain siitä, että nanoteknologia on hyvin laaja termi, ja siihen voisi sisältyä myös "molekyylikokoonpanijat". Keskustelu fantastisten molekyylikokoonpanijoiden mahdollisista vaikutuksista on herättänyt vaatimuksia nykyisen ja tulevan nanoteknologian sääntelystä. Valmistettaviin tuotteisiin sisällytettävän nanoteknologian mahdollisista terveys- ja ympäristövaikutuksista ollaan hyvin huolissaan. Esimerkiksi Greenpeace tilasi nanoteknologiaa koskevan raportin, jossa se ilmaisee huolensa ympäristöön joutuneiden nanomateriaalien myrkyllisyydestä. Siinä kuitenkin viitataan vain ohimennen "assembler"-teknologiaan. Myös Yhdistyneen kuningaskunnan Royal Society ja Royal Academy of Engineering ovat teettäneet raportin "Nanoscience and nanotechnologies: opportunities and uncertainties", jossa käsitellään nanoteknologian laajempia sosiaalisia ja ekologisia vaikutuksia. Tässä raportissa ei käsitellä mahdollisten niin sanottujen "molekyylikokoonpanijoiden" aiheuttamaa uhkaa.

Virallinen tieteellinen katsaus

Yhdysvaltain kansallinen tiedeakatemia julkaisi vuonna 2006 raportin molekyylituotantoa koskevasta tutkimuksesta osana pidempää raporttia A Matter of Size: Triennial Review of the National Nanotechnology Initiative (Kansallisen nanoteknologia-aloitteen kolmivuotiskatsaus). Tutkimuskomitea tarkasteli Nanosystems-julkaisun teknistä sisältöä ja totesi johtopäätöksissään, että mitään nykyistä teoreettista analyysia ei voida pitää lopullisena useiden järjestelmien mahdolliseen suorituskykyyn liittyvien kysymysten osalta ja että optimaalisia reittejä suorituskykyisten järjestelmien toteuttamiseksi ei voida ennustaa luotettavasti. Se suosittelee kokeellista tutkimusta alan tietämyksen lisäämiseksi:

»Vaikka teoreettisia laskelmia voidaan nykyään tehdä, tällaisten alhaalta ylöspäin suuntautuvien valmistusjärjestelmien kemiallisten reaktiosyklien, virhetasojen, toimintanopeuden ja termodynaamisten hyötysuhteiden lopullista saavutettavissa olevaa vaihteluväliä ei voida tällä hetkellä luotettavasti ennustaa. Näin ollen valmistettujen tuotteiden lopulta saavutettavissa olevaa täydellisyyttä ja monimutkaisuutta ei voida ennustaa luotettavasti, vaikka ne voidaankin laskea teoriassa. Lopuksi, optimaalisia tutkimuspolkuja, jotka voisivat johtaa järjestelmiin, jotka ylittävät huomattavasti biologisten järjestelmien termodynaamisen tehokkuuden ja muut kyvyt, ei voida tällä hetkellä luotettavasti ennustaa. Tutkimusrahoitus, joka perustuu tutkijoiden kykyyn tuottaa kokeellisia demonstraatioita, jotka linkittyvät abstrakteihin malleihin ja ohjaavat pitkän aikavälin visioita, on tarkoituksenmukaisinta tämän tavoitteen saavuttamiseksi.»

Grey goo

Yksi mahdollinen visioitu skenaario on hallitsemattomat itsekertaistuvat molekyylikokoonpanot harmaana mönjänä, joka kuluttaa hiiltä jatkaakseen monistumistaan. Jos tällaista mekaanista monistumista ei valvota, se voi mahdollisesti kuluttaa kokonaisia ekologisia alueita tai koko maapallon (ekofagia), tai se voi suoranaisesti kilpailla luonnollisten elämänmuotojen kanssa tarvittavista resursseista, kuten hiilestä, ATP:stä tai Uv-valosta (jolla jotkin nanomotoriset esimerkit toimivat). Ekofagia- ja "harmaan liman" skenaariot, kuten synteettiset molekyylikokoonpanijat, perustuvat kuitenkin hypoteettisiin teknologioihin, joita ei ole vielä osoitettu kokeellisesti.

Katso myös

• Molekulaarinen nanoteknologia

Aiheesta muualla

• Ralph Merkle: Design considerations for an assembler.
• Molecular Dynamics Studio (2016) free open-source multi-scale modeling and simulation program for nano-composites with special support for structural DNA nanotechnology (originally Nanoengineer-1 by Nanorex).
• Nano-Hive: Nanospace Simulator (2006) free software for modeling nanotech entities. Web Archive.
• Center for Responsible Nanotechnology (2008).
• Molecular Assembler website (2008).
• Rage Against the (Green) Machine (2003). Wired magazine.
• Government launches nano study UK EducationGuardian 11.6.2003. Käyttäjätunnuksella.
• Unraveling the Big Debate over Small Machines (2004) from BetterHumans.com. Web Archive.
• Kinematic Self-Replicating Machines — online technical book: first comprehensive survey of molecular assemblers (2004) by Robert Freitas and Ralph Merkle.
• Design of a Primitive Nanofactory (2003).
• Video - Nanofactory in Action (2006).
• Nanofactory technology.
• Review of Molecular Manufacturing.
• Integrated Nanosystems for Atomically Precise Manufacturing — United States Department of Energy, Workshop – 5.8.–6.8.2015.