المُجمِّع الجزيئي

يُعرّف ك . إريك دريكسلر المُجمِّع الجزيئي بأنه "جهاز مُقترح قادر على توجيه التفاعلات الكيميائية من خلال تحديد مواقع الجزيئات المتفاعلة بدقة ذرية". والمُجمِّع الجزيئي هو آلة جزيئية . وتنطبق هذه التعريفات على بعض الجزيئات البيولوجية، مثل الريبوسومات ، لأنها تتلقى تعليمات من الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA) ثم تُجمِّع تسلسلات مُحددة من الأحماض الأمينية لبناء جزيئات البروتين .

بدأ مجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية البريطاني، منذ عام 2007، بتمويل تطوير مُجمِّعات جزيئية شبيهة بالريبوسومات . ومن الواضح أن المُجمِّعات الجزيئية ممكنة بهذا المعنى المحدود. وقد استكشف مشروع خارطة طريق تكنولوجية، بقيادة معهد باتيل التذكاري وبمشاركة العديد من المختبرات الوطنية الأمريكية، مجموعة من تقنيات التصنيع الدقيقة على المستوى الذري، بما في ذلك كل من الجيل المبكر والآفاق طويلة الأجل للتجميع الجزيئي القابل للبرمجة؛ وقد صدر التقرير في ديسمبر 2007. ^{[ 1 ]} وفي عام 2008، قدم مجلس أبحاث الهندسة والعلوم الفيزيائية تمويلًا قدره 1.5 مليون جنيه إسترليني على مدى ست سنوات (1,942,235.57 جنيهًا إسترلينيًا، 2,693,808.00 دولارًا أمريكيًا في عام 2021 ^{[ 2 ]} ) لأبحاث تهدف إلى تصنيع الجزيئات آليًا ، وذلك بالشراكة مع معهد التصنيع الجزيئي، من بين جهات أخرى. ^{[ 3 ]}

وبالمثل، استُخدم مصطلح "المُجمِّع الجزيئي" في الخيال العلمي والثقافة الشعبية للإشارة إلى مجموعة واسعة من الآلات النانوية الخيالية التي تتلاعب بالذرات. وينشأ جزء كبير من الجدل الدائر حول "المُجمِّعات الجزيئية" من الخلط في استخدام هذا الاسم لكلٍّ من المفاهيم التقنية والخيال الشعبي. في عام 1992، قدّم دريكسلر مصطلحًا ذا صلة ولكنه أكثر وضوحًا، وهو "التصنيع الجزيئي"، والذي عرّفه بأنه " التخليق الكيميائي المُبرمج للهياكل المعقدة عن طريق وضع الجزيئات المتفاعلة ميكانيكيًا، وليس عن طريق التلاعب بالذرات الفردية". ^{[ 4 ]}

تتناول هذه المقالة في معظمها مفهوم "المُجمِّعات الجزيئية" بالمعنى الشائع. ويشمل ذلك آلات افتراضية تُعالج الذرات الفردية، وآلات تتمتع بقدرات شبيهة بالكائنات الحية ، كالتكاثر الذاتي ، والحركة، والقدرة على استهلاك الغذاء، وما إلى ذلك. وتختلف هذه الآلات اختلافًا كبيرًا عن الأجهزة التي تُوجِّه التفاعلات الكيميائية فقط (كما هو مُعرَّف أعلاه) عن طريق تحديد مواقع الجزيئات المتفاعلة بدقة ذرية.

نظراً لعدم وجود نماذج اصطناعية لتجميع الجزيئات، وللغموض الذي يكتنف معنى المصطلح، فقد ثار جدل واسع حول إمكانية وجود "مجمعات جزيئية" من عدمها، وهل هي مجرد خيال علمي. وينبع هذا الغموض والجدل أيضاً من تصنيفها ضمن تقنية النانو ، وهي مجال بحثي مخبريّ نشط، وقد طُبّق بالفعل في إنتاج منتجات حقيقية؛ إلا أنه لم تُبذل، حتى وقت قريب، أي جهود بحثية في مجال بناء "مجمعات جزيئية" فعلياً.

مع ذلك، تُفصّل ورقة بحثية نُشرت عام 2013 من قِبل مجموعة ديفيد لي في مجلة ساينس ، طريقةً جديدةً لتخليق الببتيد بطريقةٍ مُحددة التسلسل باستخدام آلة جزيئية اصطناعية مُوجّهة بواسطة خيط جزيئي. ^{[ 5 ]} تعمل هذه الآلة بنفس طريقة الريبوسوم في بناء البروتينات عن طريق تجميع الأحماض الأمينية وفقًا لمخطط الحمض النووي الريبوزي الرسول (mRNA). يعتمد هيكل الآلة على الروتاكسان ، وهو حلقة جزيئية تنزلق على طول محور جزيئي. تحمل الحلقة مجموعة ثيولات ، تُزيل الأحماض الأمينية بالتسلسل من المحور، ناقلةً إياها إلى موقع تجميع الببتيد. في عام 2018، نشرت المجموعة نفسها نسخةً أكثر تطورًا من هذا المفهوم، حيث تتحرك الحلقة الجزيئية على طول مسار بوليمري لتجميع قليل الببتيد الذي يمكن أن يلتف إلى حلزون ألفا ، والذي بدوره يُجري عملية الأكسدة الانتقائية للإنانتومير لمشتق الكالكون (بطريقة تُذكّر بتجميع الريبوسوم للإنزيم ). ^{[ 6 ]} في ورقة بحثية أخرى نُشرت في مجلة ساينس في مارس 2015، أفاد كيميائيون في جامعة إلينوي عن منصة تعمل على أتمتة عملية تصنيع 14 فئة من الجزيئات الصغيرة ، مع آلاف الوحدات البنائية المتوافقة. ^{[ 7 ]}

في عام 2017، أبلغ فريق ديفيد لي عن روبوت جزيئي يمكن برمجته لتكوين أيٍّ من أربعة متصاوغات فراغية مختلفة لمنتج جزيئي، وذلك باستخدام ذراع روبوتية نانوية ميكانيكية لنقل ركيزة جزيئية بين مواقع تفاعل مختلفة في آلة جزيئية اصطناعية. ^{[ 8 ]} وقد أوضحت مقالة إخبارية مصاحبة، بعنوان "مُجمِّع جزيئي"، آلية عمل الروبوت الجزيئي باعتباره نموذجًا أوليًا لمُجمِّع جزيئي. ^{[ 9 ]}

المصنع النانوي هو نظام مقترح تقوم فيه آلات نانوية (تشبه أجهزة التجميع الجزيئية أو أذرع الروبوتات الصناعية) بدمج جزيئات تفاعلية عبر التخليق الميكانيكي لبناء أجزاء أكبر ذات دقة ذرية. ثم يتم تجميع هذه الأجزاء بدورها بواسطة آليات تحديد المواقع ذات الأحجام المختلفة لبناء منتجات مرئية (ماكروسكوبية) ولكنها لا تزال ذات دقة ذرية.

كان من الممكن أن تتسع وحدة تصنيع نانوية نموذجية في صندوق مكتبي، وفقًا لرؤية ك. إريك دريكسلر المنشورة في كتابه "الأنظمة النانوية: الآلات الجزيئية، والتصنيع، والحوسبة" (1992)، وهو عمل بارز في مجال " الهندسة الاستكشافية ". خلال تسعينيات القرن الماضي، قام باحثون آخرون بتوسيع مفهوم وحدة التصنيع النانوية، بما في ذلك تحليل التجميع التقاربي لوحدات التصنيع النانوية من قِبل رالف ميركل ، وتصميم أنظمة لبنية وحدة تصنيع نانوية متكررة من قِبل ج. ستورز هول ، و "المُجمِّع العالمي" لفورست بيشوب ، وعملية التجميع الأسي الحاصلة على براءة اختراع من شركة زيفكس ، وتصميم أنظمة عالي المستوى لـ"وحدة تصنيع نانوية بدائية" من قِبل كريس فينيكس (مدير الأبحاث في مركز تكنولوجيا النانو المسؤولة). جميع هذه التصاميم لوحدات التصنيع النانوية (وغيرها) مُلخَّصة في الفصل الرابع من كتاب " الآلات الحركية ذاتية التكرار" (2004) من تأليف روبرت فريتاس ورالف ميركل. إن تعاون مصنع النانو ^{[ 10 ]} الذي أسسه فريتاس وميركل في عام 2000 هو جهد مركز ومستمر يضم 23 باحثًا من 10 منظمات و4 دول يعمل على تطوير أجندة بحثية عملية ^{[ 11 ]} تهدف على وجه التحديد إلى التخليق الميكانيكي للماس المتحكم فيه موضعيًا وتطوير مصنع النانو الماسي .

في عام ٢٠٠٥، أنتج جون بيرش، بالتعاون مع دريكسلر، فيلمًا قصيرًا متحركًا يجسد مفهوم مصنع النانو. وقد أثارت هذه الرؤى جدلًا واسعًا على مستويات فكرية متعددة. لم يكتشف أحد مشكلة جوهرية في النظريات الأساسية، ولم يثبت أحد إمكانية تطبيق هذه النظريات عمليًا. ومع ذلك، لا يزال النقاش مستمرًا، وقد لُخِّص جزء منه في مقال حول تقنية النانو الجزيئية .

إذا أمكن بناء مصانع نانوية، فسيكون اضطراب الاقتصاد العالمي أحد الآثار السلبية المحتملة، مع أنه يمكن القول بأن هذا الاضطراب سيكون له تأثير سلبي ضئيل إذا امتلك الجميع هذه المصانع. ومن المتوقع أيضًا تحقيق فوائد عظيمة. وقد استكشفت العديد من أعمال الخيال العلمي هذه المفاهيم وما شابهها. وكان احتمال وجود مثل هذه الأجهزة جزءًا من مهمة دراسة بريطانية رئيسية بقيادة أستاذة الهندسة الميكانيكية، السيدة آن داولينج .

يُخلط بين "المُجمِّعات الجزيئية" والآلات ذاتية التكاثر. لإنتاج كمية عملية من منتج مطلوب، يتطلب الحجم النانوي للمُجمِّع الجزيئي العالمي النموذجي في الخيال العلمي عددًا هائلاً من هذه الأجهزة. مع ذلك، يُمكن برمجة مُجمِّع جزيئي نظري واحد للتكاثر الذاتي ، مُنشئًا نسخًا عديدة من نفسه. وهذا من شأنه أن يسمح بمعدل إنتاج أُسّي. بعد ذلك، وبعد توفر كميات كافية من المُجمِّعات الجزيئية، يُعاد برمجتها لإنتاج المنتج المطلوب. لكن، إذا لم يُقيَّد التكاثر الذاتي للمُجمِّعات الجزيئية، فقد يؤدي ذلك إلى منافسة مع الكائنات الحية الموجودة في الطبيعة. وقد سُمِّيَت هذه الظاهرة بـ" التهام الكائنات الحية " أو " مشكلة المادة الرمادية" . ^{[ 12 ]}

إحدى طرق بناء مُجمِّعات الجزيئات هي محاكاة العمليات التطورية التي تستخدمها الأنظمة البيولوجية. يحدث التطور البيولوجي من خلال التباين العشوائي المقترن باستبعاد المتغيرات الأقل نجاحًا وتكاثر المتغيرات الأكثر نجاحًا. قد يكون إنتاج مُجمِّعات الجزيئات المعقدة قد تطور من أنظمة أبسط، إذ " يُكتشف دائمًا أن النظام المعقد الناجح قد تطور من نظام بسيط ناجح... النظام المعقد المصمم من الصفر لا ينجح أبدًا، ولا يمكن إصلاحه ليعمل. يجب البدء من جديد، بدءًا من نظام ناجح." ^{[ 13 ]} مع ذلك، تتضمن معظم إرشادات السلامة المنشورة "توصيات بعدم تطوير... تصميمات مُكرِّرات تسمح ببقاء الطفرات أو خضوعها للتطور." ^{[ 14 ]}

تُبقي معظم تصميمات المُجمِّعات "شفرة المصدر" خارج المُجمِّع الفعلي. في كل خطوة من خطوات عملية التصنيع، تُقرأ هذه الخطوة من ملف حاسوب عادي وتُبث إلى جميع المُجمِّعات. إذا خرج أي مُجمِّع عن نطاق ذلك الحاسوب، أو عند انقطاع الاتصال بين ذلك الحاسوب والمُجمِّعات، أو عند فصل ذلك الحاسوب عن مصدر الطاقة، تتوقف المُجمِّعات عن النسخ. تُعد "بنية البث" هذه إحدى ميزات الأمان التي أوصت بها "المبادئ التوجيهية الاستشرافية لتقنية النانو الجزيئية"، كما تُقدم خريطة فضاء تصميم المُستنسخ ذي الأبعاد 137 ^{[ 15 ]،} التي نشرها فريتاس وميركل مؤخرًا، العديد من الطرق العملية التي يُمكن من خلالها التحكم في المُستنسخات بأمان عبر تصميم جيد.

كان البروفيسور ريتشارد سمولي (1943-2005)، الحائز على جائزة نوبل لإسهاماته في مجال تقنية النانو ، من أبرز منتقدي بعض مفاهيم "المجمعات الجزيئية". اعتقد سمولي أن هذه المجمعات غير ممكنة فيزيائيًا، وطرح اعتراضات علمية عليها. أطلق على اعتراضيه التقنيين الرئيسيين اسم "مشكلة الأصابع السمينة" و"مشكلة الأصابع اللزجة". ورأى أن هاتين المشكلتين تستبعدان إمكانية وجود "مجمعات جزيئية" تعمل عن طريق انتقاء ووضع الذرات بدقة متناهية. وقد رد دريكسلر وزملاؤه على هاتين المشكلتين ^{[ 16 ]} في منشور عام 2001.

اعتقد سمولي أيضًا أن تكهنات دريكسلر حول المخاطر الكارثية للآلات ذاتية التكاثر، التي تم تشبيهها بـ"المجمعات الجزيئية"، من شأنها أن تهدد الدعم الشعبي لتطوير تقنية النانو. ولمعالجة الجدل الدائر بين دريكسلر وسمولي بشأن المجمعات الجزيئية، نشرت مجلة "كيميكال آند إنجينيرينغ نيوز" حوارًا بين وجهتي نظر مختلفتين، تضمن تبادلًا للرسائل تناول هذه القضايا. ^{[ 4 ]}

أثارت التكهنات حول قوة الأنظمة التي تُسمى "المُجمِّعات الجزيئية" نقاشًا سياسيًا واسعًا حول تداعيات تقنية النانو. ويعود ذلك جزئيًا إلى أن مصطلح "تقنية النانو" واسع جدًا، وقد يشمل "المُجمِّعات الجزيئية". وقد دفعت مناقشة التداعيات المحتملة لهذه المُجمِّعات الجزيئية المذهلة إلى مطالبات بتنظيم تقنية النانو الحالية والمستقبلية. وثمة مخاوف حقيقية بشأن التأثير الصحي والبيئي المحتمل لتقنية النانو المُدمجة في المنتجات المصنعة. فعلى سبيل المثال، كلفت منظمة غرينبيس بإعداد تقرير حول تقنية النانو، أعربت فيه عن قلقها إزاء سمية المواد النانوية التي تم إدخالها إلى البيئة. ^{[ 17 ]} ومع ذلك، لم يتطرق التقرير إلا بشكل عابر إلى تقنية "المُجمِّعات". كما كلفت الجمعية الملكية البريطانية والأكاديمية الملكية للهندسة بإعداد تقرير بعنوان "علوم النانو وتقنيات النانو: الفرص والشكوك" ^{[ 18 ]} ، يتناول التداعيات الاجتماعية والبيئية الأوسع لتقنية النانو. ولم يناقش هذا التقرير التهديد الذي تُشكّله ما يُسمى بـ"المُجمِّعات الجزيئية".

في عام 2006، أصدرت الأكاديمية الوطنية للعلوم في الولايات المتحدة تقريرًا عن دراسة حول التصنيع الجزيئي (وليس مُجمِّعات الجزيئات بحد ذاتها) كجزء من تقرير أوسع بعنوان " مسألة حجم: مراجعة ثلاثية لمبادرة تقنية النانو الوطنية" ^{[ 19 ].} راجعت لجنة الدراسة المحتوى التقني لتقرير "الأنظمة النانوية" ، وخلصت إلى أنه لا يمكن اعتبار أي تحليل نظري حالي نهائيًا فيما يتعلق بالعديد من المسائل المتعلقة بأداء النظام المحتمل، وأنه لا يمكن التنبؤ بثقة بالمسارات المثلى لتنفيذ أنظمة عالية الأداء. وأوصت اللجنة بتمويل البحوث التجريبية لإنتاج عروض توضيحية عملية في هذا المجال.

   على الرغم من إمكانية إجراء الحسابات النظرية اليوم، إلا أنه لا يمكن التنبؤ بدقة في الوقت الراهن بالنطاق النهائي لدورات التفاعلات الكيميائية، ومعدلات الخطأ، وسرعة التشغيل، والكفاءات الديناميكية الحرارية لأنظمة التصنيع من الأسفل إلى الأعلى. وبالتالي، لا يمكن التنبؤ بثقة بالكمال والتعقيد النهائيين للمنتجات المصنعة، حتى وإن أمكن حسابهما نظريًا. وأخيرًا، لا يمكن التنبؤ بدقة في الوقت الراهن بالمسارات البحثية المثلى التي قد تؤدي إلى أنظمة تتجاوز بكثير الكفاءات الديناميكية الحرارية والقدرات الأخرى للأنظمة البيولوجية. لذا، يُعد تمويل البحوث القائم على قدرة الباحثين على تقديم عروض تجريبية تربط بين النماذج المجردة وتوجه الرؤية طويلة المدى هو الأنسب لتحقيق هذا الهدف.

أحد السيناريوهات المحتملة التي تم تصورها هو ظهور مُجمِّعات جزيئية ذاتية التكاثر خارجة عن السيطرة، على شكل مادة رمادية لزجة ، تستهلك الكربون لمواصلة تكاثرها. إذا لم يتم كبح جماح هذا التكاثر الميكانيكي، فقد يستهلك مناطق بيئية بأكملها أو حتى كوكب الأرض بأكمله ( التهام البيئة )، أو قد يتفوق ببساطة على الكائنات الحية الطبيعية في التنافس على الموارد الضرورية مثل الكربون ، وجزيئات ATP ، والأشعة فوق البنفسجية (التي تعمل بها بعض نماذج المحركات النانوية ). مع ذلك، فإن سيناريوهات التهام البيئة و"المادة الرمادية اللزجة"، مثل المُجمِّعات الجزيئية الاصطناعية، تستند إلى تقنيات لا تزال افتراضية ولم يتم إثباتها تجريبياً بعد.

• برنامج Molecular Dynamics Studio (2016) هو برنامج مجاني مفتوح المصدر للنمذجة والمحاكاة متعددة المقاييس للمواد النانوية المركبة مع دعم خاص لتكنولوجيا النانو الهيكلية للحمض النووي (أصله Nanoengineer-1 من Nanorex).
• برنامج Nano-Hive: Nanospace Simulator (2006) هو برنامج مجاني لنمذجة كيانات تقنية النانو
• المبادئ التوجيهية الاستشرافية للتطوير المسؤول لتقنية النانو (2006) لتقنيات التصنيع الجزيئي
• مركز تكنولوجيا النانو المسؤولة (2008)
• موقع Molecular Assembler الإلكتروني (2008)
• Rage Against the (Green) Machine (2003) في مجلة Wired
• أطلقت الحكومة دراسة حول تقنية النانو (صحيفة الغارديان البريطانية، 11 يونيو 2003)
• تفكيك الجدل الكبير حول الآلات الصغيرة (2004) من موقع BetterHumans.com
• اعتبارات تصميم آلة التجميع (1995) بقلم رالف ميركل
• الآلات الحركية ذاتية التكاثر — كتاب تقني إلكتروني: أول دراسة شاملة للمجمعات الجزيئية (2004) بقلم روبرت فريتاس ورالف ميركل
• تصميم مصنع نانوي بدائي (2003)
• فيديو - مصنع النانو أثناء العمل (2006)
• تكنولوجيا المصانع النانوية
• مراجعة التصنيع الجزيئي
• أنظمة النانو المتكاملة للتصنيع الدقيق على المستوى الذري - ورشة عمل وزارة الطاقة الأمريكية - 5-6 أغسطس 2015