Mod en lysdrevet molekylær assembler

Kemikere syntetiserer normalt molekyler ved hjælp af stokastiske bindingsdannende kollisioner af reaktantmolekylerne i opløsning. Naturen følger en anden strategi inden for biokemisk syntese. Størstedelen af ​​biokemiske reaktioner er drevet af proteinkomplekser af maskintype, der binder og placerer de reaktive molekyler til selektive transformationer. Kunstige "molekylære samlere", der udfører "mekanosyntese" er blevet foreslået som et nyt paradigme inden for kemi og nanofabrikation. Et team af kemikere ved Kiel University (Tyskland) byggede den første kunstige montør, der udfører syntese og bruger lys som energikilde. Systemet kombinerer selektiv binding af reaktanterne, nøjagtig positionering, og aktiv frigivelse af produktet. Forskerne offentliggjorde deres resultater i tidsskriftet Kommunikationskemi .

Ideen om molekylære samlere, der er i stand til at bygge molekyler, er allerede blevet foreslået i 1986 af K. Eric Drexler, baseret på ideer fra Richard Feynman, Nobelpristager i fysik. I sin bog "Engines of Creation:The Coming Era of Nanotechnology" og opfølgende publikationer foreslår Drexler molekylære maskiner, der er i stand til at positionere reaktive molekyler med atompræcision og til at bygge større, mere sofistikerede strukturer via mekanosyntese. Hvis en sådan molekylær nanobot kunne bygge et hvilket som helst molekyle, det kunne helt sikkert bygge en anden kopi af sig selv, dvs. det kunne replikere sig selv. Disse fantasifulde visioner inspirerede en række science fiction -forfattere, men startede også en intensiv videnskabelig kontrovers.

Problemet med "klæbrige fingre"

Debatten kulminerede i en forside om Chemical &Engineering News i 2003 med det centrale spørgsmål:"Er molekylære samlere - enheder i stand til at positionere atomer og molekyler til præcist definerede reaktioner - mulige?" Her rejste Nobelprisvinderen Richard E. Smalley to store indvendinger:"de fede fingre" og "klæbrige fingre" -problemet:For at gribe og guide hvert enkelt atom skal samleren have mange nanofingre. Smalley hævdede, at der bare ikke er nok plads i reaktionsområdet i nanometerstørrelse til at rumme alle fingrene på alle manipulatorer, der er nødvendige for at have fuldstændig kontrol over kemien. Problemet med "sticky finger" stammer fra problemet, at atomerne i manipulatorens hænder vil klæbe til det atom, der flyttes. Så det vil ofte være umuligt at frigive byggesten på det helt rigtige sted. Smalley konkluderer, at problemerne med fedt og klæbrige fingre er grundlæggende og ikke kan undgås.

Ser på naturens molekylære samlere

Imidlertid, i naturen, der findes mange eksempler på molekylære samlere såsom ribosomet, nonribosomale peptidsyntetaser, polyketidsyntaser, og ATP-syntase. "Med hensyn til molekylære samlere kan vi oplyse, hvis naturen bruger molekylære samlere til syntese, kemikere bør - i det mindste i princippet - kunne bygge og betjene kunstige montører i laboratoriet ", siger Rainer Herges, professor for organisk kemi og talsmand for Collaborative Research Center 677 "Function by Switching" ved Kiel University.

Herges og hans team har nu bygget den første kunstige montør, som bruger lys som energikilde. Når man ser på molekylære samlere i naturen, forsøgte de systematisk at reducere deres raffinement og kompleksitet til et niveau, opnås med syntetisk kemi. Syntesen af ​​ATP fra ADP og phosphat og de ikke-ribosomale peptidsyntetaser tjente som paragoner.

Fotoswitchbar ligand leder gennem en reaktion

De griber reaktanterne, fire vanadationer, bringe dem i nærheden og sammenkæde dem i ringe. Ved at placere reaktanterne, en fotoswitchbar ligand leder reaktanterne gennem en specifik reaktionskanal, og der dannes et molekyle, der ikke er til stede i udgangsopløsningen. Den fotokemiske omstilling af liganden til en ikke-bindende tilstand udløser også produktets frigivelse-og løser problemet med den "klæbrige finger". Forskergruppen valgte UV-lys som den eksterne energikilde, fordi det er praktisk at anvende, og der ikke dannes forstyrrende biprodukter i modsætning til kemiske energikilder.

Et paradigmeskifte i kemisk syntese

Lignende molekylære maskiner, såsom samlere, der kondenserer aminosyrer til proteiner, ville udløse et paradigmeskift i kemisk syntese. Tydelige fordele er færre biprodukter, enantioselektivitet, og kortere syntetiske veje, da mekanosyntesen tvinger molekylerne til en foruddefineret reaktionskanal. "I øvrigt, ringproduktet er højere i energi som udgangsmateriale. Med andre ord, lysenergi omdannes til kemisk energi ", understreger Herges. "Selvom mekanosyntese med kunstige molekylære samlere er ekstremt udfordrende, det er værd at undersøge og kunne give en ny måde til konvertering af lysenergi. "