分子アセンブラー

K. エリック・ドレクスラーの定義によると、分子アセンブラーとは「反応分子を原子レベルで正確に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の一種です。リボソームなどの一部の生物学的分子はこの定義に当てはまります。これは、これらの分子がメッセンジャーRNAから指示を受け取り、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。ただし、「分子アセンブラー」という用語は通常、理論上の人工装置を指します。

2007年以降、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の開発に資金提供してきた。明らかに、分子アセンブラ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、原子レベルで精密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された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年には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」という用語は、 SFや大衆文化において、さまざまな空想的な原子操作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」に関する論争の多くは、この名前が技術的な概念と大衆的な空想の両方で使用される際の混乱から生じています。1992年にドレクスラーは、関連しているがより理解しやすい「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によって複雑な構造をプログラム的に化学合成する」と定義しました。 ^[4]

この記事では、主に一般的な意味での「分子アセンブラ」について説明します。これには、個々の原子を操作する仮想の機械や、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」デバイスとはまったく異なります。

合成分子アセンブラはこれまで一度も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のため、「分子アセンブラ」は可能なのか、それとも単なる空想なのかについて多くの論争がありました。混乱と論争は、分子アセンブラ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、実際の製品の製造にすでに適用されている活発な実験室研究領域ですが、最近まで^{[いつから? ]、}「分子アセンブラ」の実際の構築に関する研究努力はありませんでした。

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使用して、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ます。 ^[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します。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ます。リングにはチオラート基があり、これがアミノ酸を順番に軸から取り除き、ペプチド組み立て部位に移動します。2018年に、同じグループはこの概念のより高度な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往復し、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るαヘリックスへと折り畳まれるオリゴペプチドを組み立てます（リボソームが酵素を組み立てるのを彷彿とさせる方法で）。^[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構成要素を持つ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・リーのグループは、ナノメカニクスロボットアームを使っ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＆ビューの記事「分子アセンブラ」では、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]

ナノファクトリーは、ナノマシン（分子アセンブラや産業用ロボットアームに似ている）が機械合成によって反応性分子を結合し、原子レベルで精密なより大きな部品を組み立てるという提案されたシステムです。次に、さまざまなサイズの位置決め機構によってこれらの部品を組み立て、肉眼で見える（目に見える）けれども原子レベルで精密な製品を製造します。

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だろう、とK・エリック・ドレクスラーは「探究的エンジニアリング」の著名な著作である「ナノシステム：分子機械、製造、計算」 （1992年）で発表した。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アセンブリの分析、 J・ストーズ・ホールによる複製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的アセンブリプロセス、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した人々もいる。これらすべてのナノファクトリー設計（およびその他）は、ロバート・フレイタスとラルフ・マークルによる「運動学的自己複製機械」（2004年）の第4章にまとめられている。 2000年にフレイタスとマークルによって設立されたナノファクトリーコラボレーション^[10]は、4か国10の組織から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の機械合成とダイヤ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・バーチが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扱った短編アニメーション映画を制作しました。このような構想は、さまざまな知的レベルで多くの議論の対象となってきました。基礎理論に克服できない問題を発見した人はいませんし、理論を実践に移せることを証明した人もいません。しかし、議論は続いており、その一部は分子ナノテクノロジーの記事にまとめられています。

ナノファクトリーが建設されれば、世界経済に深刻な混乱が生じるなど、多くの悪影響が考えられますが、誰もがそのようなナノファクトリーを所有していれば、この混乱による悪影響はほとんどないという意見もあります。また、大きなメリットも期待できます。さまざまなSF作品で、このようなコンセプトや類似のコンセプトが取り上げられています。このようなデバイスの可能性は、機械工学教授のアン・ダウリング女史が主導する英国の大規模研究の任務の一部でした。

「分子アセンブラ」は自己複製機械と混同されてきた。望ましい製品を実用的な量生産するには、典型的な SF の万能分子アセンブラのナノスケールサイズには、非常に多数のそのような装置が必要である。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、自身のコピーを多数作成することができる。これにより、指数関数的な生産速度が可能になる。その後、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る。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る。これはエコファジーまたはグレイ グー問題と呼ばれている。^[12]

分子アセンブラを構築する方法の 1 つは、生物系が採用している進化の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、あまり成功していない変異体の淘汰、およびより成功した変異体の再生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する可能性があります。「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ていることがわかります...ゼロから設計された複雑なシステムは機能せず、機能するように修正することもできません。機能するシステムから始めなければなりません。」^[13]ただし、公開されているほとんどの安全ガイドラインには、「突然変異を生き延びたり進化したりすることを可能にするレプリケータ設計の開発に対する推奨事項」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で、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なった場合、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 1 つであり、最近 Freitas と Merkle によって公開された 137 次元のレプリケータ設計空間^[15]のマップには、レプリケータを適切な設計で安全に制御できる数多くの実用的な方法が記載されています。

「分子アセンブラ」の概念に対する最も率直な批判者の一人は、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信じ、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、これらにより、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信じていた。ドレクスラーと同僚は、2001年の出版物でこの2つの問題に回答した^[16]。

スモーリーはまた、ドレクスラーが「分子アセンブラ」と同一視している自己複製機械の終末論的な危険性について推測していることが、ナノテクノロジーの開発に対する国民の支持を脅かすことになると考えていた。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、その問題を扱った書簡のやり取りからなる論点と反論を掲載した。^[4]

「分子アセンブラ」と呼ばれるシステムの威力に関する憶測は、ナノテクノロジーの影響に関する幅広い政治的議論を引き起こした。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」を含む可能性があるという事実によるところが大きい。素晴らしい分子アセンブラ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呼んだ。工業製品に組み込まれつつあるナノテクノロジーの潜在的な健康および生態系への影響については、非常に現実的な懸念がある。例えば、グリーンピースは、環境に導入されたナノ材料の毒性に対する懸念を表明するナノテクノロジーに関する報告書を委託した。^[17]しかし、この報告書は「アセンブラ」技術について軽く言及しているにすぎない。英国王立協会および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系への影響に関する「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た。この報告書は、潜在的ないわゆる「分子アセンブラ」がもたらす脅威については議論していない。

2006年、米国科学アカデミーは、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、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」の一部として発表した^{[19]。研究委員会は}ナノシステムの技術的内容を検討し、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はみなすことができず、高性能システムを実装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。この分野での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。

     「理論的な計算は今日でもできますが、このようなボトムアップ製造システムの化学反応サイクル、エラー率、動作速度、熱力学的効率の最終的な達成範囲は、現時点では確実に予測できません。したがって、製造された製品の最終的な達成可能な完成度と複雑さは、理論上は計算できますが、自信を持って予測することはできません。最後に、生物システムの熱力学的効率やその他の能力を大幅に上回るシステムにつながる可能性のある最適な研究経路は、現時点では確実に予測できません。この目標を達成するには、抽象モデルにリンクし、長期ビジョンを導く実験的デモンストレーションを作成する研究者の能力に基づく研究資金が最も適しています。」

想定されているシナリオの 1 つは、制御不能な自己複製分子アセンブラーがグレイ グーの形で現れ、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、生態地域全体または地球全体を消費する可能性があります (エコファジー)。または、炭素、ATP、紫外線(一部のナノモーターの例はこれを使用しています)などの必要なリソースをめぐって自然界の生命体を単純に打ち負かす可能性があります。ただし、合成分子アセンブラーと同様に、エコファジーと「グレイ グー」のシナリオは、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。

• Molecular Dynamics Studio (2016) 構造 DNA ナノテクノロジーを特別にサポートするナノ複合材料用の無料のオープンソース マルチスケール モデリングおよびシミュレーション プログラム (元は Nanorex の Nanoengineer-1)
• Nano-Hive: Nanospace Simulator (2006) ナノテクエンティティをモデリングするための無料ソフトウェア
• 分子製造技術の責任あるナノテクノロジー開発のための先見ガイドライン（2006年）
• 責任あるナノテクノロジーセンター (2008)
• 分子アセンブラーのウェブサイト (2008)
• レイジ・アゲインスト・ザ・グリーン・マシーン（2003年）『Wired 』
• 英国政府がナノ研究を開始 EducationGuardian、2003年6月11日
• BetterHumans.com の「小型機械をめぐる大論争の解明 (2004)」
• アセンブラの設計上の考慮事項 (1995) Ralph Merkle 著
• 運動学的自己複製機械 — オンライン技術書: 分子アセンブラの最初の包括的な調査 (2004)、Robert Freitas と Ralph Merkle 著
• 原始的ナノファクトリーの設計 (2003)
• ビデオ - ナノファクトリーの動作 (2006)
• ナノファクトリー技術
• 分子製造のレビュー
• 原子レベルで精密な製造のための統合ナノシステム —米国エネルギー省ワークショップ – 2015 年 8 月 5 ～ 6 日