Mikrobølger afslører detaljeret struktur af molekylær motor

Et team af forskere har brugt mikrobølger til at opklare den nøjagtige struktur af en lille molekylær motor. Nano-maskinen består af kun et enkelt molekyle, består af 27 carbon- og 20 hydrogenatomer (C27H20). Ligesom en makroskopisk motor har den en stator og en rotor, forbundet med en aksel. Analysen afslører, hvordan de enkelte dele af motoren er konstrueret og arrangeret i forhold til hinanden. Teamet ledet af DESY Leading Scientist Melanie Schnell rapporterer resultaterne i tidsskriftet Angewandte Chemie International Edition .

Den kunstige molekylære motor blev syntetiseret af holdet af den hollandske nobelpristager Ben Feringa fra University of Groningen, der er medforfatter til papiret. Feringa blev tildelt Nobelprisen i kemi 2016 sammen med Jean-Pierre Sauvage fra University of Strasbourg og Sir Fraser Stoddart fra Northwestern University i USA for design og syntese af molekylære maskiner.

"Den funktionelle ydeevne af sådanne nanomaskiner fremgår klart af deres unikke strukturelle egenskaber, "forfatterne skriver i deres undersøgelse." For bedre at forstå og optimere molekylært maskineri er det vigtigt at kende deres detaljerede struktur og hvordan denne struktur ændrer sig under vigtige mekaniske trin, fortrinsvis under forhold, hvor systemet ikke forstyrres af ydre påvirkninger. "

Den roterende motor, der undersøges her, giver et stort løfte for en hel del applikationer, som førsteforfatter Sérgio Domingos fra DESY og Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter (MPSD) forklarer:"Kemikere er alle i vildrede med dette molekyle og forsøger at forbinde det med en række andre molekyler." Når den aktiveres af lys, nano-maskinen fungerer gennem på hinanden følgende fotokemiske og termiske trin, fuldfører en halv omgang. En anden udløser tvinger derefter motoren til at fuldføre en fuld drejning, vender tilbage til sin startposition.

"En sådan lysaktivering er ideel, da den giver et ikke-invasivt og stærkt lokaliseret middel til fjernaktivering af motoren, "siger Domingos." Det kunne bruges, for eksempel, som en effektiv motorfunktion, der kan integreres med et lægemiddel, etablere kontrol over dets handling og frigive den på et præcist målrettet sted i kroppen:fremtidens lysaktiverede lægemidler. Men også programmer som lysaktiveret katalyse og transmission af bevægelse på molekylært niveau til den makroskopiske verden kommer til at tænke på. Til sådanne applikationer er det vigtigt at forstå motormolekylets nøjagtige struktur og hvordan det fungerer i detaljer. "

Motormolekylets atomære sammensætning var tidligere blevet undersøgt med røntgenstråler. Til røntgenanalysen skulle molekylerne først dyrkes til krystaller. Krystallerne diffrakterer derefter røntgenstrålerne på en karakteristisk måde, og ud fra det resulterende diffraktionsmønster kan arrangementet af atomer beregnes. "I modsætning, vi undersøgte fri flydende, isolerede molekyler i en gas, "forklarer Schnell, der arbejder på Center for Free-Electron Laser Science (CFEL), et samarbejde mellem DESY, universitetet i Hamburg og Max Planck Society. "På denne måde kan vi se molekylet, som det er, fri for ydre påvirkninger som opløsningsmidler eller bindinger. "

For at bestemme deres struktur, de frit svævende molekyler skulle udsættes for et resonant mikrobølgefelt. "Vi brugte et elektromagnetisk felt til at orientere molekylerne alle i samme retning på en sammenhængende måde og registrerede derefter deres afslapning, når feltet er slukket, "forklarer Schnell, der også leder en forskergruppe ved MPSD og er professor i fysisk kemi ved University of Kiel. "Dette afslører de såkaldte rotationskonstanter i molekylet, som igen giver os nøjagtige oplysninger om dets strukturelle arrangement. "

Denne analyse af denne såkaldte mikrobølgespektroskopi er ikke ligetil. I tilfælde af motormolekylet, forskerne skulle matche mere end 200 linjer i spektret og sammenligne deres tal med simuleringer fra kvantekemiske beregninger. "Hvad angår antallet af atomer, molekylmotoren er i øjeblikket det største molekyle, hvis struktur er blevet løst med mikrobølgespektroskopi, "forklarer Schnell.

For at flyde molekylerne i mikrobølgeovnkammeret, de skulle opvarmes til 180 grader Celsius, før de hurtigt blev afkølet til minus 271 grader. "Opvarmning fik nogle af motorerne til at falde fra hinanden, bryder ved akslen, "rapporterer Domingos." På denne måde kunne vi se rotoren og statoren uafhængigt af hinanden, bekræfter deres strukturer. Dette giver os også et tip om den mekanisme, hvormed den falder fra hinanden. "

Den endelige analyse angiver nogle små afvigelser fra strukturen bestemt med røntgenstråler, hvor molekylerne interagerer med hinanden i en krystal. "Dette viser, at motorens struktur er umiskendeligt påvirket af dens omgivelser, " says Domingos. Even more importantly, the microwave technique opens the possibility to study the dynamics of the motor molecule. "Now that we can see the molecule like it really is, we want to catch it in action, " underlines Domingos. The rotor goes through an intermediate state that lasts about three minutes - long enough to be investigated with microwave spectroscopy. The researchers are already planning such investigations from which they hope to learn in detail how the molecular motor works.