Un ensamblador molecular , tal 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 proteínas . 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 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 patrocinado por varios Laboratorios Nacionales de EE. UU. ha explorado una gama de tecnologías de fabricación atómicamente precisas, incluidas perspectivas tanto de primera generación como a largo plazo para el ensamblaje molecular programable; el informe se publicó en diciembre de 2007. [1] En 2008, el Consejo de Investigación en Ingeniería y Ciencias Físicas proporcionó una 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]
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 sobre 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]
Este artículo analiza principalmente los "ensambladores moleculares" en el sentido popular. Estos 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. 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 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 había habido [ ¿cuándo? ] no hay 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 de una manera específica de secuencia mediante el uso de una máquina molecular artificial guiada por una cadena molecular. [5] Esto funciona de la misma manera que un ribosoma que construye proteínas al ensamblar 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 secuencialmente los aminoácidos del eje y los transfiere 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 (en cierto modo que recuerda al ribosoma ensamblando 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 componentes básicos 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 mediante el uso de 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 las nanomáquinas (que se asemejan a ensambladores moleculares o brazos de robots industriales) combinarían moléculas reactivas mediante mecanosíntesis para construir piezas atómicamente más grandes y precisas. Estos, a su vez, se ensamblarían mediante mecanismos de posicionamiento de diversos tamaños para construir productos macroscópicos (visibles) pero aún 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 nanofábrica realizado por Ralph Merkle , un diseño de sistemas de una arquitectura de nanofábrica replicante de 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' realizado por Chris Phoenix (director de investigación del 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 enfocado y continuo 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 y diamantoides controlados posicionalmente. Desarrollo de nanofábricas.
En 2005, John Burch, en colaboración con Drexler, produjo un cortometraje animado sobre el concepto de nanofábrica. Estas visiones han sido objeto de mucho debate, en varios niveles intelectuales. Nadie ha descubierto un problema insuperable con las teorías subyacentes y nadie ha demostrado que las teorías puedan llevarse a la práctica. Sin embargo, el debate continúa y parte del mismo se resume en el artículo sobre nanotecnología molecular .
Si se pudieran construir nanofábricas, uno de los muchos posibles impactos negativos sería una grave perturbación de la economía mundial , aunque se podría argumentar que esta perturbación tendría pocos efectos negativos si todo el mundo tuviera dichas nanofábricas. También se anticiparían grandes beneficios. Varias obras de ciencia ficción han explorado estos y conceptos similares. El potencial de tales dispositivos fue parte del mandato de un importante estudio en el 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 a nanoescala de un ensamblador molecular universal típico de ciencia ficción requiere una cantidad extremadamente grande de dichos dispositivos. Sin embargo, un único ensamblador molecular teórico podría programarse para autorreplicarse , construyendo muchas copias de sí mismo. Esto permitiría una tasa de producción exponencial. Luego, una vez que estuvieran disponibles cantidades suficientes de ensambladores moleculares, se reprogramarían para la producción del producto deseado. Sin embargo, si no se restringiera la autorreplicación de los ensambladores moleculares, podría conducir a la competencia con organismos naturales. A esto se le ha llamado ecofagia o el problema de la sustancia gris . [12]
Un método para construir ensambladores moleculares es imitar los procesos evolutivos empleados por los sistemas biológicos. La evolución biológica procede mediante 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 descubre que un sistema complejo que funciona ha evolucionado a partir de un sistema simple que funcionó... Un sistema complejo diseñado desde cero nunca funciona y no se puede reparar para lograrlo". que funcione. Tienes que empezar de nuevo, comenzando con un sistema que funcione". [13] Sin embargo, la mayoría de las pautas de seguridad publicadas incluyen "recomendaciones contra el desarrollo... de diseños de replicadores que permitan sobrevivir a una mutación o experimentar una evolución". [14]
La mayoría de los diseños de ensamblador 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 sale del alcance de esa computadora, o cuando el vínculo entre esa computadora y los ensambladores se rompe, 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 del replicador de 137 dimensiones [15] publicado recientemente por Freitas y Merkle proporciona numerosos métodos prácticos mediante los cuales los replicadores puede 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), 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 principales objeciones técnicas 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 sus compañeros de trabajo 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 han sido equiparadas con "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 punto-contrapunto consistente en un intercambio de cartas que abordaban los temas. [4]
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 nanotecnología es un término muy amplio y podría incluir "ensambladores moleculares". El debate sobre las posibles implicaciones de los fantásticos ensambladores moleculares ha provocado llamados a regular la nanotecnología actual y futura. Existen preocupaciones muy reales con respecto al posible impacto ecológico y para la salud de la nanotecnología que se está integrando en los productos manufacturados. Greenpeace, por ejemplo, encargó un informe sobre la nanotecnología en el que expresa su preocupación por la toxicidad de los nanomateriales introducidos en el medio ambiente. [17] Sin embargo, sólo hace referencias pasajeras a la tecnología "ensambladora". La Sociedad Real del Reino Unido y la Real Academia de Ingeniería 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 potenciales llamados "ensambladores moleculares".
En 2006, la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. 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 sobre el rendimiento potencial del sistema, y que los caminos óptimos para implementar sistemas de alto rendimiento no se pueden predecir con confianza. Recomienda financiar investigaciones experimentales para producir demostraciones experimentales en esta área:
"Aunque hoy en día se pueden hacer cálculos teóricos, en este momento no se puede predecir de manera confiable el rango eventualmente alcanzable de ciclos de reacción química, tasas de error, velocidad de operación y eficiencias termodinámicas de tales sistemas de fabricación ascendente. Por lo tanto, la perfección y La complejidad de los productos manufacturados, si bien se puede calcular en teoría, no se puede predecir con confianza. Finalmente, los caminos de investigación óptimos que podrían conducir a sistemas que excedan 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 orienten la visión a largo plazo es la más apropiada para lograr este objetivo".
Un escenario potencial que se ha imaginado son los 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 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 (con la que funcionan algunos ejemplos de nanomotores ). Sin embargo, los escenarios de ecofagia y "goo gris", como los ensambladores moleculares sintéticos, se basan en tecnologías aún hipotéticas que aún no se han demostrado experimentalmente.
