Molekulaarne assembler

Molekulaarne assembler ehk molekulaarassambleerija on Eric Drexleri määratluse kohaselt on "kavandatud seade, mis suudab juhtida keemilisi reaktsioone, paigutades reaktiivseid molekule aatomi täpsusega". Molekulaarassembler on omamoodi molekulaarmasin. Mõned bioloogilised molekulid, näiteks ribosoomid, vastavad sellele määratlusele. Seda seetõttu, et nad saavad juhiseid sõnumitooja RNA-lt ja seejärel panevad kokku spetsiifilisi aminohapete järjestusi, et ehitada valgumolekule. Mõiste "molekulaarassambleerija" viitab tavaliselt siiski teoreetilistele inimtekkelistele seadmetele.

Alates 2007. aastast on Briti inseneriteaduste ja füüsikauuringute nõukogu rahastanud ribosoomisarnaste molekulaarsete assemblerite arendamist. On selge, et molekulaarsed assemblerid on selles piiratud tähenduses võimalikud. Battelle Memorial Institute'i juhitud ja mitme USA riikliku laboratooriumi korraldatud tehnoloogia tegevuskava projektis on uuritud mitmesuguseid aatomitähtsaid valmistustehnoloogiaid, sealhulgas nii varase põlvkonna kui ka pikemaajalisi programmeeritava molekulaarse koostamise väljavaateid; aruanne avaldati 2007. aasta detsembris. 2008. aastal rahastas inseneriteaduste ja füüsikauuringute nõukogu 1,5 miljoni naela ulatuses kuue aasta jooksul mehhaniseeritud mehhanosünteesi alaseid teadusuuringuid, muu hulgas koostöös Institute for Molecular Manufacturingiga (molekulaarse tootmise instituut).

Samamoodi on terminit "molekulaarassembler" kasutatud ulmes ja popkultuuris, et viidata mitmesugustele fantastilistele aatomit manipuleerivatele nanomasinatele, millest paljud võivad olla tegelikkuses füüsiliselt võimatud. Suur osa "molekulaarassembleritega" seotud vastuoludest tuleneb sellest, et seda nimetust kasutatakse segi ajades nii tehniliste kontseptsioonide kui ka populaarsete fantaasiate puhul. Drexler võttis 1992. aastal kasutusele sellega seotud, kuid paremini mõistetava termini "molekulaarne tootmine", mida ta defineeris kui programmeeritud "keeruliste struktuuride keemilist sünteesi mehaaniliselt reageerivate molekulide paigutamise, mitte üksikute aatomite manipuleerimise teel".

Käesolevas artiklis käsitletakse peamiselt "molekulaarseid monteerimisseadmeid" selle üldlevinud tähenduses. Nende hulka kuuluvad hüpoteetilised masinad, mis manipuleerivad üksikuid aatomeid, ja masinad, millel on organismilaadsed isekordistumisvõimed, liikuvus, võime tarbida toitu jne. Need on täiesti erinevad seadmetest, mis lihtsalt (nagu eespool määratletud) "juhivad keemilisi reaktsioone, paigutades reaktiivseid molekule aatomi täpsusega".

Kuna sünteetilisi molekulaarassambleereid ei ole kunagi konstrueeritud ja kuna mõiste tähendus on segane, on olnud palju vaidlusi selle üle, kas "molekulaarassamblerid" on võimalikud või lihtsalt ulme. Segadus ja vaidlused tulenevad ka nende liigitamisest nanotehnoloogiasse, mis on aktiivne laboratoorsete uuringute valdkond, mida on juba rakendatud reaalsete toodete valmistamiseks; siiski ei ole kuni viimase ajani tehtud mingeid teadusuuringuid "molekulaarsete assemblerite" tegeliku ehitamise kohta.

Sellegipoolest kirjeldab David Leigh' töörühma 2013. aastal ajakirjas Science avaldatud artikkel üksikasjalikult uut meetodit, mille abil sünteesitakse peptiidi järjestusspetsiifiliselt, kasutades selleks kunstlikku molekulaarmasinat, mida juhitakse molekulaarahela abil. See toimib samamoodi nagu ribosoom, mis ehitab valke, koostades aminohappeid vastavalt sõnumitooja RNA plaanile. Masina struktuuri aluseks on rotaxane, mis on mööda molekulaartelge libisev molekularõngas. Rõngas kannab tiolaatrühma, mis eemaldab telgilt järjestikku aminohappeid, viies need peptiidide kokkupanekukohta. 2018. aastal avaldas sama töörühm selle kontseptsiooni arenenuma versiooni, milles molekulaarrõngas pendeldab mööda polümeerset rada, et monteerida oligopeptiid, mis võib voltida α-spiraaliks, mis suudab teostada kalkoonderivaadi enantioselektiivset epoksüdeerimist (viisil, mis meenutab ensüümi monteerivat ribosoomi). Teises 2015. aasta märtsis ajakirjas Science avaldatud artiklis teatasid Illinoisi ülikooli keemikud platvormist, mis automatiseerib 14 klassi väikemolekulide sünteesi tuhandete ühilduvate ehitusplokkide abil.

2017. aastal teatas David Leigh' töörühm molekulaarrobotist, mida saab programmeerida molekulaarse toote mis tahes ühe neljast erinevast stereoisomeerist konstrueerimiseks, kasutades selleks nanomehaanilist robotkätt, mis liigutab molekulaarset substraati kunstliku molekulaarmasinas erinevate reaktiivsete kohtade vahel. Kaasnevas News and Views artiklis pealkirjaga "A molecular assembler" kirjeldati molekulaarroboti kui molekulaarse assembleri toimimise prototüüpi.