Was wird die Zukunft der molekularen Herstellung wirklich aussehen wie?

Molekulare Maschinen sind nanoskalige Monteure, die sich und ihre Umgebung in immer komplexeren Strukturen zu konstruieren. Manchmal genannt "Nanotechnologie" in den Medien, diese Geräte sind vielversprechend – aber auch weitgehend missverstanden. Hier ist, was die Wissenschaftstatsache von Science-Fiction trennt.

Die Konzepte, die diese Form der Nanotechnologie zu untermauern mussten sicherlich lange genug durch die moderne Wissenschaft zu versickern. Richard Feynman spekulierten zuerst über die Idee "Synthese über direkte Manipulation von Atomen" während eines Vortrages genannt, gibt es viel der Raum an der Unterseite. Blickt man zurück, ausgelöst, die ein Großteil der nachfolgenden denken über die Behandlung von Atomen und Molekülen mehr und mehr wie einfache Bausteine.

Vielleicht am bekanntesten K. Eric Drexler betrachtet die Idee des Nehmens des Herstellung Bottom-up-Ansatzes auf seine atomare Extreme in seinem Buch 1986 Engines of Creation: The Coming Era of Nanotechnology. Es, postulierte er die Idee, ein Nan-Oscale "Assembler", die herum, versenken konnte, erstellen Kopien von sich selbst oder andere molekulare Größe Objekte mit atomaren Kontrolle; Das wiederum könnte man in der Lage, größere und komplexere Strukturen zu schaffen. Eine Art von mikroskopisch kleinen Produktionslinie, Bauprodukte aus den einfachsten Zutaten aller. Kommen, wenn es getan, in der Mitte der achtziger Jahre hat fühlte es sich sehr ähnlich wie Science-Fiction.

Ertrinken in graue Schmiere

Soviel so, anerkannt in der Tat, dass sogar Drexler, sei es ratsam, vorsichtig zu sein, in einer Nano-Maßstab-Baustelle. "Solch einen Replikator schweben in einer Flasche mit Chemikalien, Anfertigung von Kopien von sich selbst, Stell dir vor", erklärt er in Engines of Creation. "Der erste Replikator versammelt eine Kopie in 1000 Sekunden, die zwei Replikatoren dann bauen zwei weitere in den nächsten tausend Sekunden, die vier anderen bauen vier und acht einen anderen bauen acht." Am Ende der zehn Stunden sind nicht sechsunddreißig neuen Replikatoren, sondern über 68 Milliarden. In weniger als einem Tag würden sie eine Tonne wiegen; in weniger als zwei Tagen würden sie die Erde überwiegen; in weiteren vier Stunden würden sie die Masse der Sonne und alle Planeten zusammen übersteigen — wenn die Flasche von Chemikalien hatte nicht lange vor trockenlaufen. "

Diese rücksichtslose Effizienz könnte, Drexler argumentierte, machen einige Nano-Roboter "überlegen" natürlich vorkommende organische Wesen, zumindest in einem evolutionären Sinn — obwohl, entscheidend ist, nicht unbedingt als wertvoll. In der Tat, er meinte, dass allesfressende Bakterien echte Bakterien out konkurrieren könnte Verringerung der Biosphäre zu Staub — oder "graue Schmiere" – in einer Angelegenheit von Tagen. Das hypothetische End-of-the-World-Szenario, wo Nanobots unserer Welt und uns in eine amorphe Schlamm verwandeln, war so verlockend, Skeptiker wie das Versprechen der Nanotechnologie für die Wissenschaftler war. Dennoch fast dreißig Jahre wir sind noch da, und während einige von uns möglicherweise ein wenig mehr Gesicht aschfahl, wir sind noch molekulare Maschinen entwickelt, um in das biologische Abfallprodukt Wasser getaucht werden.

Bausteine

Wahrheit ist, dass Wissenschaftler sehr beschäftigt über die letzten dreißig Jahre wurden, schaffen eine Vielzahl von molekularen Größe Strukturen, die zu manipulieren und versammeln sich, bewegen und sogar zusammenarbeiten können. Es ist nicht immer einfach, natürlich-Gebäude auf dem molekularen Niveau erfordert atomarer Präzision – aber glücklicherweise Chemie und Physik avancierte zu einem Punkt, wo es immer möglich ist. Und es gibt eine reiche Fundus an molekularen Maschinen, einige von der Natur inspirierten andere Maschinenbau Prinzipien zu zeigen.

Die meisten Erfolge wurden von DNA-Molekülen gebaut. Hier ist nicht DNA verwendet wird, um genetische Informationen tragen; Vielmehr ist es ein strukturelles Material aus eigenem Recht. Die vier Basen-Adenin, Cytosin, Guanin und Thymin – mehr oder weniger stark miteinander zu binden, je nachdem, wie sie entlang der Länge der DNA-Doppelhelix gepaart sind, so dass Wissenschaftler, die Art und Weise zu zwicken, in denen sie miteinander verbinden. "Wir können die Verbände von Molekülen durch Watson-Crick-Basenpaarung lenken. Intermolekulare Wechselwirkungen mit klebrigen Enden eine klar definierte Geometrie haben", erklärt Professor Ned Seeman, ein sich in der Fakultät für Chemie an der New York University, die weithin als Bereich der DNA-Nanotechnologie zu erfinden. "DNA ist wie Lego."

Die Grundbausteine des Lebens schon Falten, verbinden, zu bauen und wachsen benötigten Funktionen – so sind sie perfekt geeignet, um Dinge im Nano-Maßstab zu bauen. Durch die Schaffung von DNA-Stränge mit sorgfältig kontrollierten Basensequenzen, kann die Bindung speziell zugeschnitten werden, damit individuelle Stränge kombiniert werden können, um mit einander zu binden und exotische Gebäude. Geometrien werden zuerst modelliert auf Computern zu erarbeiten, welche Moleküle benötigt werden, dann die entsprechenden kann DNA synthetisiert, dass sie zusammengestellt werden können – genau wie ein Lego-Baukasten.

Keine Montage erforderlich

Aber im Gegensatz zu Lego, wenn Sie in Lösung kombiniert die DNA kann Strukturen ohne Intervention bilden. Die Wechselwirkungen zwischen Stränge werden durch ihre Basensequenzen gesteuert: gibt es eine Präferenz für bestimmte Websites zu binden und andere nicht, was zu einer glorreichen Selbstmontage verarbeiten. Wenn Drexlers Vorschläge der Monteure wie Science Fiction in der Mitte der achtziger Jahre fühlte, dann die Tatsache, dass Moleküle entworfen werden, können um sich in neue und komplexe Strukturen zu bauen es sicherlich Tatsache macht.

In der Tat hat Seeman Labor eine reiche Geschichte selbstorganisierende komplexe Objekte wie Kristalle aus einem einfachen Pfütze der DNA-Moleküle zu schaffen. Seines Labors haben 2D und 3D Kristalle, sowie eine Vielzahl von geometrischen Formen, die mit den Techniken erstellt. Es gibt viele andere Forscher im Bereich zu arbeiten. Professor Andrew Turberfield an der University of Oxford, verwendet beispielsweise DNA-Moleküle zu einzelnen Tetraheada, wie die oben abgebildete erstellen. Vier verschiedene Arten von DNA, jeder entwickelt, um vordefinierte Möglichkeiten gemeinsam mischen können seine Forscher Tetraeder mit 7 Nanometer Kanten schaffen. Sie können verwendet werden, um sperren Proteine im Inneren der Struktur zu einem Bereich bereitgestellt werden, wo medizinischer Behandlung erforderlich ist – eine Art von Montage und Bereitstellung von Self Containeranlage auf molekularer Ebene.

Machen Sie Ihren Umzug Molekül

Aber die ganze Reihe von Nano-Engineering Moleküle nicht nur selbst montieren – sie bewegen sich auch. Eine Reihe von Forschungsgruppen haben Moleküle geschaffen, die viel wie Menschen oder Tiere gehen kann. Synthese von DNA, sie sollen um direktional entlang einer Strecke zu Fuß aber bis vor kurzem es schwierig war, genau zu beurteilen, ob die Wanderer hatten "sprang" oder "schwebte" an eine neue Position – weil sie die Schritte, um um ein Nanometer in der Länge, sind schwer zu erkennen mit traditionellen Techniken. Glücklicherweise, Forscher von der Universität Oxford Chemie haben jetzt die Walkers DNA mit Arsen geschnürt und sind in der Lage, es zu verfolgen, da es durch einen porösen Track Blutegel – ein für alle Mal beweisen, dass die Wanderer in der Tat tun, wie sie sollen.

Der Maschinenbau ist an anderer Stelle, einen großen Einfluss auf die Konstruktion – daher die beliebte Moniker molekularen Maschinen. Motoren, zum Beispiel — eines der lebensgroße Objekte, die wir weitgehend eine Selbstverständlichkeit – molekulare Form angenommen haben. Der erste molekulare Motor erfolgte im Jahr 2021; der schnellste produziert noch erst im vergangenen Jahr. Die kleinsten einfach dreht sich um ein Schwefel-Atom auf eine saubere Kupferoberfläche saß-Geschwindigkeit von bis zu 7.200 Umdrehungen pro Minute erreichen. Der schnellste, machte einen eher sperrigen drei molekularen Komponenten erreichen Geschwindigkeiten von 18.000 Umdrehungen pro Minute – etwa die gleiche Geschwindigkeit wie ein Düsentriebwerk.

Allerdings ist vielleicht das vollständigste Beispiel für eine molekulare Maschine so weit Nanocar, entwickelt von einem Team von niederländischen Forschern. Bestehend aus einem langen zentralen Körper mit geschwenkten Paddel an jeder der vier Ecken, ein Impuls der Elektronen kann verwendet werden, um das Paddel um im Kreis schwingen, ein ganzes Viertel drehen zur Zeit. Dieses Viertelumdrehung setzt das Molekül in eine unnatürliche Anordnung, also die Anleihen ein weiteres Viertelumdrehung weiterhin zu einem Zustand des Gleichgewichts zu bewegen. Um das Fahrzeug bewegen zu halten erfordert einen Impuls der Elektronen jedes halbe Drehung. Es ist vielleicht keinem Abstand Rekorde – dauert es 10 Impulse von Elektronen die Fahrzeug 6 Nanometern bewegen – aber es ist eine molekulare Auto. Geben Sie ihm eine Pause.

Alternative Energien

All dies wirft eine leicht zu übersehende Problem aber: wie wir diese molekularen Maschinen mit Strom versorgen? "Die größte Herausforderung bisher im Feld noch den Antrieb von synthetischen Nanomotors," erklärt Dr. Wei Gao, von der Abteilung für Elektrotechnik & Computerwissenschaften an der University of California, Berkeley. "Neue Nanomotors, die in lebenden Tieren, vor allem den Blutkreislauf fahren sind effizient noch stark erwünscht."

Die Motoren und Autos in der Regel oben beschriebenen verwenden einen Strom von Elektronen nach macht – normalerweise durch ein Tunneling-Elektronenmikroskop liefern sie mit Präzision geliefert. Aber das ist nicht machbar Quellen der Kraft für jede Anwendung außerhalb des Labors, und schon gar nicht in den menschlichen Körper, so Forscher wie Gao haben wurden Alternativen zu entwickeln. Er hat vor kurzem eine neue Art von 20 Mikrometer langen Polymer-Rohr erstellt — oben abgebildet –, die mit Zink beschichtet ist. Wenn sie sich in einem sauren Milieu, wie Magen, findet das Zink reagiert auf Form Wasserstoff Bläschen, die wiederum nach vorne treiben mit genügend Geschwindigkeit sich in Gewebe einzulegen – liefert eine Nutzlast von Drogen mit sich.

Das ist eine ziemlich rohe und ungerichtete Form des Antriebs, zugegeben – aber es beweist, dass molekulare Strukturen, ihre Umgebung ausnutzen könnte, um die Energie benötigt, um sie an die Macht zu schaffen. "Synthetische Nanomotors externe chemische Kraftstoffe, die erheblich behindern können, deren praktische Anwendung erfordert", erklärt Gao. "Zink-basierte Nanomotors sind das erste Beispiel von Nanomotors die verwenden, die ihrer natürlichen Umgebung als die Energiequelle. Darüber hinaus entwickelten wir biologisch abbaubare Magensium-basierte Nanomotors, die Wasser als Treibstoff in Anwesenheit von Chlor-Ionen verwenden können. "Wir könnten vorstellen, dass der zukünftige Nanomotors selbstfahrende in verschiedenen Bio-Flüssigkeiten wie menschliches Blut sein kann."

Alles zusammen

Natürlich gibt es keinen Mangel an Technologie auf der Nanoskala. Wir haben selbstorganisierende Strukturen Falten Formen, die sammeln und veröffentlichen Lasten, können, zu Fuß, Apparate, molekulare Motoren, Fahrzeuge, die machen Gebrauch davon, und vielleicht sogar das Potenzial, sie schüren. Sie können auch hinzufügen dieser Liste ein paar Brocken der intelligente Extras auch — wie Einzelmolekül-LEDs und einfachen DNA-basierten Computern – das könnte, eines Tages machen sie mehr als nur einfache mechanische Systeme.

Also gibt es irgendeine Hoffnung Drexlers nanoskaligen Produktionslinie? "Wir haben bereits gezeigt, dass" erklärt Seeman, als wäre es nie wirklich Zweifel. Vor ein paar Jahren zeigte Seemans Lab was die erste molekulare Produktionslinie war. Vier DNA Nanoroboter ging entlang der Oberfläche speziell vorbereitet, Abholung Goldpartikel und die Interaktion mit jedem da zogen sie sich in einer der acht unterschiedlichen Endprodukten zu bauen. Zugegeben die schließlich Ergebnis war einer der acht verschiedenen Verwicklungen von DNA und Goldpartikel, sondern als ein Proof of Concept es war unwiderstehlich.

Fortschritt hat nicht seit gestoppt. Anderen Montagelinien entstanden, die anstelle des Aufbaus ein Gewirr von DNA, eigentlich kleinere Moleküle zu größeren, komplexeren Strukturen Stück zusammen, die dann für eine völlig neue Anwendungen verwendet werden können. Diese molekularen Motoren gebracht worden um zu arbeiten, auch mit Kräften Rotations um chirale Katalysatoren zu steuern – Moleküle selbst, andere Reaktionen, je nach den Leitlinien der Atome innerhalb der komplexen Struktur zu beschleunigen. Molekulare Maschinen werden eingesetzt in Labors die Welt über zu zwicken und montieren von anderen Molekülen, Erstellen von größeren Baugruppen, die für einen anderen Zweck verwendet werden können.

Fiktion, Tatsache

Mit anderen Worten: Wir sind immer da. Aber anstelle der primordialen Eintopf aus Nanobots graue Schmiere produziert, ist die Realität der molekularen Baustelle eine nuancierte, strukturierte und bescheiden. Vielleicht seine keine Überraschung, dass Drexler selbst seine eigene Hypothese über die Zukunft der Nanotechnologie gezwickt hat. In seinem 2013 Buch Radikale Fülleschreibt er über "Microblocks." Er schlägt vor, sind eine Art russische Puppe Montageprozess, wo eine Kaskade von Tausenden von winzigen Roboterzellen baut Komponenten auf molekularer Ebene, diese Komponenten zu immer größeren Roboter füttern, bis ein Full-Size-Produkt entsteht. Man kann es als eine Reihe von immer größeren 3D-Drucker, die ersten Arbeiten auf molekularer Ebene, jede erstellen Komponenten übergeben an die Kette, größere Strukturen zu schaffen vorstellen.

Natürlich mit dieser Art von immer mehr Komplexität kommt größeren Herausforderung – aber angesichts der Entfernung, die wir gekommen sind, solche Hindernisse sollte nicht als zu abschreckend. "Das Leben selbst ist nicht möglich ohne die Vielzahl von molekularen Maschinen in unserem Körper, die Arbeiten im turbulenten Umfeld und mit sehr wenig Strom, aber sehr komplexe Aufgaben vom Virus Transport, Muskelspiel," erklärt Professor Charles Sykes von der Fakultät für Chemie an der Tufts University. "Viele wunderbare Dinge sind möglich, wie die Natur bereits bewährt hat." In der Tat, wie Wissenschaftler es sehen, gibt es nur ein einziges echtes Hindernis. "Die Key-Einschränkung ist die übliche," sinniert Seeman. "Geld."

Wirklich, dann die offenbarende Ambitionen der achtziger Jahre Monteure haben einfach gemildert. Statt Versenkung um machen – oder zerstören — nach Belieben, die molekularen Maschinen der nahen Zukunft bestellt werden, eingeschränkt und arbeiten für uns und nicht im Wettbewerb. Eher weniger Panikmache, und eher nützlich. Und das, so scheint es, ist, was passiert, wenn Science Fiction mehr wie Wissenschaftstatsache wird.

Obere Bild von Microvector/Shutterstock. Körper-Bilder von Andrew Turberfield, Wei Gao, Universität Groningen, Guru 3/Shutterstock.