分子アセンブラー

K・エリック・ドレクスラーの定義によれば、分子アセンブラーとは「反応性分子を原子レベルの精度で配置することで化学反応を誘導できる装置」です。分子アセンブラーは分子機械です。リボソームなどの一部の生物学的分子は、この生物学的機械の定義に当てはまります。これは、リボソームがメッセンジャーRNAからの指示を受け取り、特定のアミノ酸配列を組み立ててタンパク質分子を構築するためです。

リボソームは、タンパク質ドメインダイナミクスを利用した生物学的機械であり、中性子スピンエコー分光法によってのみ観察できる。

歴史

2007年以来、英国工学物理科学研究会議はリボソームのような分子アセンブラーの開発に資金提供を行っている。明らかに、分子アセンブラーはこの限定的な意味では可能である。バテル記念研究所が主導し、いくつかの米国国立研究所が主催する技術ロードマッププロジェクトでは、プログラム可能な分子アセンブリの初期世代と長期的な展望の両方を含む、原子レベルで正確な製造技術の範囲が調査され、その報告書は2007年12月に発表された。[ 1 ] 2008年、工学物理科学研究会議は、分子製造研究所などと提携して機械化メカノシンセシスに向けた研究に、 6年間で150万ポンド（1,942,235.57ポンド、2021年に2,693,808.00ドル[ 2 ]）の資金を提供した。 [ 3 ]

同様に、「分子アセンブラー」という用語は、SFや大衆文化において、原子を操作する様々な幻想的なナノマシンを指すために使われてきました。「分子アセンブラー」をめぐる論争の多くは、この名称が技術的な概念と大衆的な空想の両方に混同されていることに起因しています。1992年、ドレクスラーは関連しつつもより理解しやすい「分子製造」という用語を導入し、これを「個々の原子を操作するのではなく、反応性分子を機械的に配置することで複雑な構造をプログラム的に化学合成すること」と定義しました。 [ 4 ]

本稿では主に、一般的な意味での「分子アセンブラ」について論じます。これには、個々の原子を操作する仮想的な機械や、生物のような自己複製能力、移動能力、食物消費能力などを備えた機械が含まれます。これらは、（上記の定義のように）単に「反応性分子を原子レベルの精度で配置することで化学反応を誘導する」だけの装置とは全く異なります。

合成分子アセンブラーはこれまで構築されたことがなく、またその用語の意味に関する混乱から、「分子アセンブラー」が本当に存在するのか、それとも単なるSFなのかについて、多くの論争が繰り広げられてきました。この混乱と論争は、分子アセンブラーがナノテクノロジーに分類されていることからも生じています。ナノテクノロジーは、既に実際の製品の製造に応用されている、実験室での研究が活発に行われている分野です。しかしながら、最近まで「分子アセンブラー」の実際の構築に関する研究は行われていませんでした。

それでも、2013年にデイビッド・リーのグループがサイエンス誌に発表した論文では、分子鎖によって誘導される人工分子機械を用いて、配列特異的にペプチドを合成する新しい方法が詳述されている。 [ 5 ]これは、メッセンジャーRNAの設計図に従ってアミノ酸を組み立てることでリボソームがタンパク質を構築するのと同じように機能する。この機械の構造は、分子軸に沿ってスライドする分子リングであるロタキサンに基づいている。このリングにはチオレート基があり、これが分子軸からアミノ酸を順番に切り離し、ペプチド組み立て部位へと輸送する。 2018年に、同じグループがこの概念のより進歩したバージョンを発表しました。このバージョンでは、分子リングがポリマートラックに沿ってシャトルしてオリゴペプチドを組み立て、 αヘリックスに折り畳まれてカルコン誘導体のエナンチオ選択的エポキシ化を実行できます（リボソームが酵素を組み立てるのを彷彿とさせる方法）。[ 6 ] 2015年3月にサイエンス誌に発表された別の論文では、イリノイ大学の化学者が、数千の互換性のあるビルディングブロックを持つ14クラスの小分子の合成を自動化するプラットフォームを報告しています。[ 7 ]

2017年、デイビッド・リーの研究グループは、ナノメカニクスロボットアームを用いて人工分子機械の異なる反応部位間で分子基質を移動させることで、分子生成物の4つの異なる立体異性体のいずれかを構築するようにプログラムできる分子ロボットを報告した。 [ 8 ]付随するニュースアンドビューズの記事「分子アセンブラ」では、この分子ロボットの動作を、実質的にプロトタイプの分子アセンブラとして概説した。[ 9 ]

ナノファクトリー

ナノファクトリーとは、ナノマシン（分子組立機や産業用ロボットアームに類似）がメカノシンセシスによって反応性分子を結合し、原子レベルで精密な大型部品を作製するという提案システムです。これらの部品は、様々なサイズの位置決め機構によって組み立てられ、マクロ的（目に見える）でありながら原子レベルで精密な製品が製造されます。

K・エリック・ドレクスラーが「ナノシステム：分子機械、製造、計算」（1992年）で発表した構想では、典型的なナノファクトリーはデスクトップボックスに収まると考えられています。これは「探究的工学」の著名な研究成果です。1990年代には、ラルフ・マークルによるナノファクトリー収束型組立の分析、J・ストーズ・ホールによる複製型ナノファクトリー・アーキテクチャのシステム設計、フォレスト・ビショップの「ユニバーサル・アセンブラ」、ザイベックスによる特許取得済みの指数関数的組立プロセス、そしてクリス・フェニックス（責任あるナノテクノロジーセンターの研究ディレクター）による「原始的ナノファクトリー」のトップレベルシステム設計など、ナノファクトリーの概念を拡張する研究者も現れました。これらのナノファクトリー設計（およびその他の設計）はすべて、ロバート・フレイタスとラルフ・マークル共著の『運動学的自己複製機械』（2004年）の第4章にまとめられています。ナノファクトリーコラボレーション[ 10 ]は、2000年にフレイタスとマークルによって設立され、10の組織と4か国から23人の研究者が参加する継続的な取り組みであり、特に位置制御ダイヤモンドメカノシンセシスとダイアモンドイドナノファクトリーの開発を目的とした実用的な研究課題[ 11 ]を開発しています。

2005年、ジョン・バーチはドレクスラーと共同で、ナノファクトリーのコンセプトを描いた短編アニメーション映画を制作しました。こうした構想は、様々な知的レベルで多くの議論を巻き起こしてきました。根底にある理論に克服できない問題点を発見した者も、その理論が実践可能であることを証明した者もいません。しかしながら、議論は続いており、その一部は分子ナノテクノロジーに関する論文にまとめられています。

ナノファクトリーが建設された場合、世界経済への深刻な混乱は、多くの可能性のある悪影響の一つとなるでしょう。しかし、もし誰もがそのようなナノファクトリーを所有するのであれば、こうした混乱による悪影響は小さいと言えるでしょう。また、大きなメリットも期待できます。様々なSF作品で、こうしたコンセプトや類似のコンセプトが探求されてきました。こうした装置の可能性は、機械工学教授のデイム・アン・ダウリング氏が主導した英国の大規模研究の課題の一つでした。

自己複製

「分子アセンブラ」は自己複製機械と混同されてきました。望ましい製品を実用的な量生産するには、典型的なSF小説に登場する汎用分子アセンブラのナノスケールサイズには、非常に多くのそのような装置が必要です。しかし、そのような理論上の分子アセンブラ1つを自己複製するようにプログラムし、多数のコピーを作成することも可能です。これにより、指数関数的な生産速度が可能になります。そして、十分な量の分子アセンブラが利用可能になった後、それらは望ましい製品を生産するように再プログラムされます。しかし、分子アセンブラの自己複製が抑制されなければ、自然界に存在する生物との競合につながる可能性があります。これはエコファジー、あるいはグレイ・グー問題と呼ばれています。[ 12 ]

分子アセンブラを構築する方法の一つは、生物系が用いる進化プロセスを模倣することです。生物の進化は、ランダムな変異と、成功率の低い変異体の淘汰、そして成功率の高い変異体の増殖によって進行します。複雑な分子アセンブラの生産は、より単純なシステムから進化したと考えられます。なぜなら、「機能する複雑なシステムは、必ず機能する単純なシステムから進化したものであることが分かっている…ゼロから設計された複雑なシステムは決して機能せず、修正を加えても機能させることはできない。機能するシステムから最初からやり直す必要がある」からです。[ 13 ]しかし、公開されている安全ガイドラインのほとんどには、「突然変異を生き延びたり進化を遂げたりするような複製子の設計を開発しないよう勧告する」ことが含まれています。[ 14 ]

ほとんどのアセンブラ設計では、「ソースコード」は物理的なアセンブラの外部に保持されます。製造プロセスの各ステップにおいて、そのステップは通常のコンピュータファイルから読み込まれ、すべてのアセンブラに「ブロードキャスト」されます。いずれかのアセンブラがそのコンピュータの範囲外に出た場合、またはそのコンピュータとアセンブラ間のリンクが切断された場合、またはそのコンピュータの電源が切断された場合、アセンブラは複製を停止します。このような「ブロードキャストアーキテクチャ」は、「分子ナノテクノロジーに関する先見ガイドライン」で推奨されている安全機能の一つであり、フレイタスとマークルが最近発表した137次元のレプリケータ設計空間[ 15 ]のマップは、適切な設計によってレプリケータを安全に制御するための多くの実用的な方法を示しています。

ドレクスラーとスモーリーの討論

「分子アセンブラ」の概念に対する最も痛烈な批判者の一人は、ナノテクノロジー分野への貢献によりノーベル賞を受賞したリチャード・スモーリー教授（1943-2005）である。スモーリー教授は、そのようなアセンブラは物理的に不可能であると考え、科学的な反論を提示した。彼の2つの主要な技術的反論は、「ファットフィンガー問題」と「スティッキーフィンガー問題」と呼ばれていた。彼は、これらの問題によって、個々の原子を精密に拾い上げて配置することで動作する「分子アセンブラ」の可能性が排除されると考えていた。ドレクスラーと同僚たちは、2001年の論文 [ 16 ]でこれらの2つの問題に回答した。

スモーリーはまた、ドレクスラーが「分子アセンブラ」と同一視されている自己複製機械の終末的な危険性について推測していることが、ナノテクノロジー開発に対する国民の支持を脅かすと考えていた。分子アセンブラに関するドレクスラーとスモーリーの論争に対処するため、ケミカル・アンド・エンジニアリング・ニュースは、これらの問題を扱った書簡のやり取りからなる論点論評を掲載した。[ 4 ]

規制

「分子アセンブラー」と呼ばれるシステムの力に関する憶測は、ナノテクノロジーの影響に関する幅広い政治的議論を巻き起こしました。これは、ナノテクノロジーが非常に幅広い用語であり、「分子アセンブラー」を含む可能性があるという事実に一部起因しています。幻想的な分子アセンブラーの潜在的な影響に関する議論は、現在および将来のナノテクノロジーの規制を求める声を促しました。工業製品に組み込まれているナノテクノロジーが健康および生態系に及ぼす潜在的な影響については、非常に現実的な懸念があります。例えば、グリーンピースはナノテクノロジーに関する報告書を委託し、環境に導入されたナノ材料の毒性について懸念を表明しています[ 17 ] 。しかし、この報告書は「アセンブラー」技術について軽く言及しているだけです。英国王立協会と王立工学アカデミーも、ナノテクノロジーのより広範な社会的および生態学的影響に関する「ナノサイエンスとナノテクノロジー：機会と不確実性」 [ 18 ]と題する報告書を委託しました。この報告書では、潜在的ないわゆる「分子アセンブラー」がもたらす脅威については議論されていません。

正式な科学的レビュー

2006年、米国科学アカデミーは、より長い報告書「規模の問題：国家ナノテクノロジー・イニシアチブの3年ごとのレビュー」の一部として、分子製造（分子アセンブラーそのものではない）に関する研究報告書を発表しました[ 19 ]。研究委員会はナノシステムの技術的内容をレビューし、結論として、現在の理論的分析は、潜在的なシステム性能に関するいくつかの疑問に関して決定的なものとみなすことはできない、また、高性能システムを実現するための最適な経路を自信を持って予測することはできないと述べています。この分野で実験的実証を行うための実験研究への資金提供を推奨しています。

     理論計算は今日でも可能ではあるものの、ボトムアップ型製造システムにおける化学反応サイクル、エラー率、動作速度、そして熱力学的効率の最終的な到達範囲は、現時点では確実に予測することはできません。したがって、製造製品の最終的な完成度と複雑さは、理論上は計算できても、確信を持って予測することはできません。さらに、生物システムの熱力学的効率やその他の能力をはるかに超えるシステムにつながる可能性のある最適な研究経路も、現時点では確実に予測することはできません。この目標を達成するには、抽象モデルに結びつき、長期的なビジョンを導く実験的実証を行う研究者の能力に基づく研究資金が最も適切です。

灰色のグー

想定されているシナリオの一つは、グレイ・グーと呼ばれる制御不能な自己複製分子アセンブラーが、複製を続けるために炭素を消費するというものです。制御されない場合、このような機械的な複製は、生態地域全体、あるいは地球全体を消費する可能性があり（エコファジー）、あるいは炭素、ATP、紫外線（一部のナノモーターは紫外線を燃料としています）といった必要な資源をめぐって自然界の生命体を凌駕してしまう可能性もあります。しかし、エコファジーや「グレイ・グー」のシナリオは、合成分子アセンブラーと同様に、まだ実験的に実証されていない、まだ仮説的な技術に基づいています。

参照

参考文献

  1. ^ 「生産性の高いナノシステム：技術ロードマップ」（PDF） . Foresight Institute . 2016年10月25日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。 2008年4月1日閲覧。
  2. ^ 「2008年英国ポンドの現在の価値 - インフレ計算ツール」インフレツール。2021年9月5日閲覧。
  3. ^ 「Grants on the Web」 。2011年11月4日時点のオリジナルよりアーカイブ。
  4. ^ a b「C&En: 表紙ストーリー - ナノテクノロジー」。
  5. ^レヴァンドフスキ、バルトシュ;ド・ボー、ギョーム。ウォード、ジョン・W.パプマイヤー、マーカス。クシェル、ソーニャ。アルデグンデ、マリア J.グラムリッヒ、フィリップ、ME。ヘックマン、ドミニク。ゴルダップ、スティーブン M. (2013-01-11)。「人工低分子マシンによる配列特異的ペプチド合成」(PDF)。科学。339 (6116): 189–193。Bibcode : 2013Sci...339..189L。土井：10.1126/science.1229753。ISSN 0036-8075。PMID 23307739。S2CID 206544961。   
  6. ^ De Bo, Guillaume; Gall, Malcolm AY; Kuschel, Sonja; Winter, Julien De; Gerbaux, Pascal; Leigh, David A. (2018-04-02). 「不斉触媒を構築する人工分子マシン」 . Nature Nanotechnology . 13 (5): 381– 385. Bibcode : 2018NatNa..13..381D . doi : 10.1038/s41565-018-0105-3 . ISSN 1748-3395 . PMID 29610529. S2CID 4624041 .   
  7. ^ Li, J.; Ballmer, SG; Gillis, EP; Fujii, S.; Schmidt, MJ; Palazzolo, AME; Lehmann, JW; Morehouse, GF; Burke, MD (2015). 「単一の自動化プロセスを用いた多種多様な有機小分子の合成」 . Science . 347 (6227): 1221– 1226. Bibcode : 2015Sci...347.1221L . doi : 10.1126 / science.aaa5414 . PMC 4687482. PMID 25766227 .  
  8. ^ Kassem, S.; Lee, ATL.; Leigh, DA ; Marcos, V.; Palmer, LI; Pisano, S. (2017). 「プログラム可能な分子機械を用いた立体分岐合成」 . Nature . 549 (7672): 374– 378. Bibcode : 2017Natur.549..374K . doi : 10.1038/nature23677 . PMID 28933436. S2CID 205259758 .  
  9. ^ Kelly, TR; Snapper, ML (2017). 「分子アセンブラー」 . Nature . 549 (7672): 336– 337. doi : 10.1038/549336a . PMID 28933435 . 
  10. ^ “ナノファクトリーコラボ” .
  11. ^ 「ナノファクトリーの技術的課題」。
  12. ^ 「ナノテクノロジー：グレイ・グーは小さな問題」。2014年8月29日時点のオリジナルよりアーカイブ。2007年8月21日閲覧。
  13. ^ギャル、ジョン（1978年）『システム論：システムの機能と失敗』（第1版）ニューヨーク：ポケットブックス、pp.  80– 81. ISBN 9780671819101– Archive.orgより。
  14. ^ 「分子ナノテクノロジーに関する先見ガイドライン」。
  15. ^ 「運動学的自己複製マシン」。
  16. ^ 「分子製造研究所アセンブラーに関する議論 - スモーリーの反論」。
  17. ^未来の技術、今日の選択Archived 2006-04-14 at the Wayback Machineナノテクノロジー、人工知能、ロボティクス：新興技術の技術的、政治的、制度的マップ。グリーンピース環境トラストの報告書
  18. ^ 「ナノサイエンスとナノテクノロジー：機会と不確実性」。2018年7月3日時点のオリジナルよりアーカイブ。2006年6月16日閲覧。
  19. ^国立研究評議会、科学、工学物理部門、国家材料諮問委員会、国家ナノテクノロジー・イニシアチブ検討委員会 (2006年)。 「規模の問題：国家ナノテクノロジー・イニシアチブの3年ごとのレビュー」- 全米アカデミー出版。doi : 10.17226/ 11752。ISBN 978-0-309-10223-0。
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