Ensamblador molecular

Un ensamblador molecular , según la definición de K. Eric Drexler , es un «dispositivo propuesto capaz de guiar reacciones químicas mediante el posicionamiento de moléculas reactivas con precisión atómica». Un ensamblador molecular es una máquina molecular . Algunas moléculas biológicas, como los ribosomas, se ajustan a esta definición de máquinas biológicas . Esto se debe a que reciben instrucciones del ARN mensajero y luego ensamblan secuencias específicas de aminoácidos para construir moléculas de proteínas .

A partir de 2007, el Consejo de Investigación de Ingeniería y Ciencias Físicas británico 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, liderado por el Instituto Battelle Memorial y acogido por varios Laboratorios Nacionales de EE. UU., ha explorado una gama de tecnologías de fabricación con precisión atómica, incluyendo 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 de Ingeniería y Ciencias Físicas proporcionó financiación de 1,5 millones de libras esterlinas durante seis años (1.942.235,57 libras esterlinas, 2.693.808,00 dólares en 2021 ^{[ 2 ]} ) para la investigación orientada a la mecanosíntesis mecanizada , en colaboración 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 nanomáquinas fantásticas capaces de manipular átomos. Gran parte de la controversia en torno a los «ensambladores moleculares» surge 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, de «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 se centra principalmente en los "ensambladores moleculares" en su sentido popular. Estos incluyen máquinas hipotéticas que manipulan átomos individuales y máquinas con capacidades de autorreplicación similares a las de los organismos , movilidad, capacidad para consumir alimentos, etc. Son muy diferentes de los dispositivos que simplemente (como se definió anteriormente) "guían reacciones químicas posicionando moléculas reactivas con precisión atómica".

Debido a que nunca se han construido ensambladores moleculares sintéticos y a la confusión en torno al significado del término, ha habido mucha controversia sobre si los "ensambladores moleculares" son posibles o simplemente ciencia ficción. La confusión y la controversia también se derivan de su clasificación como nanotecnología , un área activa de investigación de laboratorio que ya se ha aplicado a la producción de productos reales; sin embargo, hasta hace poco, no se habían realizado 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 manera secuencia-específica mediante el uso de una máquina molecular artificial guiada por una cadena molecular. ^{[ 5 ]} Esto funciona de la misma manera que un ribosoma construye proteínas ensamblando aminoácidos según un plano 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 los 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 la que el anillo molecular se desplaza a lo largo de una pista polimérica para ensamblar un oligopéptido que puede plegarse en una α-hélice que puede realizar la epoxidación enantioselectiva de un derivado de chalcona (de una manera 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 bloques de construcción compatibles. ^{[ 7 ]}

En 2017, el grupo de David Leigh informó sobre un robot molecular que podía programarse para construir cualquiera de los cuatro estereoisómeros diferentes de un producto molecular mediante un brazo robótico nanomecánico que movía un sustrato molecular entre diferentes sitios reactivos de una máquina molecular artificial. ^{[ 8 ]} Un artículo de noticias y opiniones que lo acompañaba, titulado «Un ensamblador molecular», describía el funcionamiento del robot molecular como 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 con precisión atómica. Estas, a su vez, se ensamblarían mediante mecanismos de posicionamiento de diversos tamaños para construir productos macroscópicos (visibles) pero con precisión atómica.

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), una obra destacada de " ingeniería exploratoria ". Durante la década de 1990, otros ampliaron el concepto de nanofábrica, incluyendo 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 del Centro de 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 enfocado 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 con control posicional y al desarrollo de nanofábricas de diamantoides .

En 2005, John Burch, en colaboración con Drexler, produjo un cortometraje animado sobre el concepto de nanofábrica. Estas visiones han sido objeto de numerosos debates en diversos niveles intelectuales. Si bien nadie ha encontrado un problema insuperable en las teorías subyacentes ni ha demostrado que puedan llevarse a la práctica, el debate continúa, y parte de él se resume en el artículo sobre nanotecnología molecular .

Si se pudieran construir nanofábricas, una de las muchas consecuencias negativas posibles sería una grave alteración de la economía mundial , aunque podría argumentarse que esta alteración tendría poco efecto negativo si todos tuvieran acceso a ellas. También se preveían grandes beneficios. Diversas obras de ciencia ficción han explorado estos y otros conceptos similares. El potencial de estos dispositivos formó parte del mandato de un importante estudio británico dirigido por la profesora de ingeniería mecánica Dame Ann Dowling .

Los "ensambladores moleculares" se han confundido con máquinas autorreplicantes. Para producir una cantidad práctica del producto deseado, el tamaño nanométrico de un ensamblador molecular universal típico de la ciencia ficción requiere una cantidad extremadamente grande de estos 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 se dispusiera de cantidades suficientes de ensambladores moleculares, estos se reprogramarían para la producción del producto deseado. Sin embargo, si la autorreplicación de los ensambladores moleculares no se controlara, podría generar competencia con los organismos presentes en la naturaleza. Esto se ha denominado ecofagia o el problema de la materia gris . ^{[ 12 ]}

Un método para construir ensambladores moleculares consiste en imitar los procesos evolutivos empleados por los sistemas biológicos. La evolución biológica se produce mediante variación aleatoria combinada con la eliminación de las variantes menos exitosas y la reproducción de las más exitosas. La producción de ensambladores moleculares complejos podría derivarse 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 reparar para que funcione. Hay que empezar de nuevo, partiendo de un sistema que funcione». ^{[ 13 ]} Sin embargo, la mayoría de las directrices de seguridad publicadas incluyen «recomendaciones en contra del 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 fuera del ensamblador físico. En cada paso del proceso de fabricación, este se lee de un archivo informático común y se transmite a todos los ensambladores. Si algún ensamblador se sale del alcance de ese ordenador, si se interrumpe la conexión entre el ordenador y los ensambladores, o si se desconecta el ordenador, los ensambladores dejan de replicar. Esta arquitectura de transmisión es una de las medidas de seguridad recomendadas por las Directrices de Prospectiva 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 para controlar de forma segura los replicadores mediante un buen diseño.

Uno de los críticos más acérrimos de algunos conceptos de "ensambladores moleculares" fue el profesor Richard Smalley (1943-2005), ganador del Premio Nobel por sus contribuciones al campo de la nanotecnología . Smalley creía que tales ensambladores no eran físicamente posibles e introdujo objeciones científicas al respecto. Sus dos principales objeciones técnicas se denominaron el "problema de los dedos gordos" y el "problema de los dedos pegajosos". Creía que estos problemas 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, equiparadas 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 intercambio de cartas que trataba sobre el tema. ^{[ 4 ]}

La especulación sobre el poder de los sistemas denominados "ensambladores moleculares" ha generado un debate político más amplio sobre las implicaciones de la nanotecnología. Esto se debe, en parte, a que nanotecnología es un término muy amplio que podría incluir los "ensambladores moleculares". El debate sobre las posibles implicaciones de los fantásticos ensambladores moleculares ha impulsado la necesidad de regular la nanotecnología actual y futura. Existen preocupaciones reales sobre el impacto potencial en la salud y el medio ambiente de la nanotecnología integrada en los productos manufacturados. Greenpeace, por ejemplo, encargó un informe sobre nanotecnología en el que expresa su preocupación por la toxicidad de los nanomateriales introducidos en el medio ambiente. ^{[ 17 ]} Sin embargo, solo hace referencias superficiales 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 aborda la amenaza que representan los potenciales "ensambladores moleculares".

En 2006, la Academia Nacional de Ciencias de EE. UU. publicó el informe de un estudio sobre la fabricación molecular (no sobre ensambladores moleculares propiamente dichos) 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 del rendimiento potencial del sistema, y ​​que no se pueden predecir con certeza las vías óptimas para implementar sistemas de alto rendimiento. Recomienda financiar la investigación experimental para producir demostraciones experimentales en esta área:

   Aunque hoy en día se pueden realizar cálculos teóricos, el rango final de ciclos de reacción química, tasas de error, velocidad de operación y eficiencias termodinámicas que pueden alcanzar estos sistemas de fabricación ascendentes no se pueden predecir con fiabilidad. Por lo tanto, la perfección y complejidad que pueden alcanzar los productos manufacturados, si bien se pueden calcular teóricamente, no se pueden predecir con certeza. Finalmente, las vías de investigación óptimas que podrían conducir a sistemas que superen ampliamente las eficiencias termodinámicas y otras capacidades de los sistemas biológicos no se pueden predecir con fiabilidad en este momento. La financiación de la investigación basada en la capacidad de los investigadores para producir demostraciones experimentales que se vinculen con modelos abstractos y guíen una visión a largo plazo es la más adecuada para lograr este objetivo.

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

• Molecular Dynamics Studio (2016), programa gratuito de código abierto para modelado y simulación multiescala de nanocompuestos, con soporte especial para nanotecnología de ADN estructural (originalmente Nanoengineer-1 de Nanorex).
• Nano-Hive: Simulador de nanoespacio (2006), software gratuito para modelar entidades nanotecnológicas.
• Directrices prospectivas para el desarrollo responsable de la nanotecnología (2006) de tecnologías de fabricación molecular
• Centro para la Nanotecnología Responsable (2008)
• Sitio web de Molecular Assembler (2008)
• Rage Against the (Green) Machine (2003) en Wired
• El gobierno británico inicia un estudio sobre nanotecnología. EducationGuardian, 11 de junio de 2003.
• Desentrañando el gran debate sobre las máquinas pequeñas (2004) de BetterHumans.com
• Consideraciones de diseño para una ensambladora (1995) por Ralph Merkle
• Máquinas autorreplicantes cinemáticas — libro técnico en línea: primer estudio exhaustivo de ensambladores moleculares (2004) por Robert Freitas y Ralph Merkle
• Diseño de una nanofábrica primitiva (2003)
• Vídeo - Nanofábrica en acción (2006)
• Tecnología de nanofábricas
• 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