Molekylær maskine udnytter bevægelse i en enkelt retning

Livet drives af molekylære maskiner. Findes i hver celle, disse små motorer omdanner kemisk energi til arbejde for at holde kroppen i gang. Opfindelsen af ​​syntetiske molekylære maskiner, som udfører lignende jobs til at drive miniaturiserede teknologier, er et varmt emne inden for nanovidenskab.

Nu, et hold ledet af Osaka University har opfundet en skralde-lignende molekylær maskine – en potentiel komponent i sofistikerede molekylære enheder – som kun tillader bevægelse i én retning. Dette gør det muligt at observere bevægelsen og den kemiske reaktivitet af en molekylær maskine samtidigt, hvilket har været en langvarig udfordring.

Et klassisk design til molekylære maskiner er en symmetrisk "håndvægt" - et stort cyklisk molekyle i midten, fanget mellem omfangsrige blokkere i hver ende, forbundet med en afstandsholder. Inspireret af dette mønster (kendt som rotaxane), Osaka-holdet skabte en pseudo-rotaxan, hvor alle tre dele – de to blokere ("stationer") og den centrale cyklus – er små ringe. Undersøgelsen blev rapporteret i Videnskabelige rapporter .

Begge stationer i deres molekylære maskine er lavet af pyridinium, en seks-leddet cyklus. Methyl (CH3) grupper er knyttet til hver station, som kroge med modhager. Imidlertid, en station bærer en enkelt methylgruppe, mens den anden ende har to.

"Denne asymmetri opstiller en akse langs molekylets længde, favoriserer bevægelse mod den dobbeltkrogede ende, der fungerer som en prop, ", siger førsteforfatter Akihito Hashidzume.

Konceptet blev demonstreret ved at bruge α-cyclodextrin (α-CD), en makrocyklus lavet af seks glukoseringe. α-CD-ringen er bred nok til at passe over den ene-krogede ende og glide langs skralden mod proppen. På vej, den interagerer med stationerne og den centrale ring. Faktisk, α-CD katalyserer en kemisk reaktion, hvor det skraldelignende molekyle udveksler brintatomer med vandopløsningsmidlet.

Mærkningsforsøg bekræftede, at denne udskiftning kun fandt sted i den ene ende af skralden. Når reaktionen blev udført i tungt vand (D2O), deuterium (D) atomer blev fundet på methylgrupperne i den enkrogede station og den centrale ring samt på methylenen i den anden station, men ikke den to-krogede prop. Det ser ud til, at α-CD'en passerede over den centrale ring, men blev blokeret for at nå propens methylgrupper.

"Her har vi en kemisk reaktion kombineret med bevægelse forudindtaget i en retning, " siger den tilsvarende forfatter Akira Harada. "Vi kalder det 'ansigtsselektiv oversættelse', ', da α-CD foretrækker at flytte fra den ene side af pseudo-rotaxan til den anden. Vi tager udgangspunkt i naturen:ved at skralde bevægelse i én retning, vi håber at udnytte kemisk energi på samme måde som biomolekylære motorer, som dem i musklerne."