Kemikere kortlægger en kunstig molekylær selvsamlingsvej med livets kompleksitet

To veje divergerede i en kemisk syntese, og et molekyle tog dem begge. Kemikere ved University of Tokyo har undersøgt, hvordan molekylære byggesten enten kan danne et sfærisk bur eller et ultratyndt ark, der viser nogle af de grundlæggende egenskaber ved et "smart" materiale, der kan reagere på dets omgivelser.

"Dette molekyle er interessant, fordi det bygger forskellige strukturer afhængigt af betingelserne, når det når bifurcationspunktet for dets syntese, " sagde professor Shuichi Hiraoka fra Institut for Grundvidenskab. Hiraokas forskningsinteresser handler om, hvordan molekyler sætter sig sammen, herunder DNA i levende celler eller miceller, findes i både naturen og kosmetikindustrien.

Bifunktionspunktet er en "gaffel i vejen" for den kemiske syntesebane, hvor de samme forstadiemolekyler kan forbinde på to forskellige måder for til sidst at danne forskellige endelige strukturer. I den foreliggende reaktion, forstadierne går forskellige veje afhængigt af tilstedeværelsen eller fraværet af et tredje molekyle.

Precursormolekylerne er palladiummetalatomer og et organisk molekyle-1, 4-bis (3-pyridyloxy) benzen-fremstillet af tre ringe, der let kan svinge mellem en S-form og C-form orientering.

Det tredje molekyle, hvis tilstedeværelse eller fravær påvirker, hvilken vej prækursorerne tager, er et negativt ladet anionmolekyle (enten nitrat eller triflat).

I nærvær af anionen, det organiske molekyle tager C-form og en ad gangen, fire af disse C'er forbinder sig til to O-ringe, låsning af anionen i et kugleformet bur. To palladiumatomer låser de fire C'er sammen i toppen og bunden af ​​buret.

Hvis anionen er fraværende, det organiske molekyle svinger ind i S-formen og forbinder sammen med andre S-formede molekyler ved hjælp af palladiumatomerne som led. Til sidst, de danner flade ark omkring 4 nanometer tykke og op til 5 mikrometer i diameter.

Imidlertid, når forskere tilføjer anionen til det færdige ark, molekylerne vil langsomt omarrangere sig i burformationen.

"Arket demonstrerer nogle meget primitive kvaliteter af et såkaldt smart materiale - et, der kan sanse og reagere på dets omgivelser. Dette skift fra de mikrometerstore ark til de nanometerstore bure er en meget dramatisk strukturel ændring, " sagde Hiraoka.

Forskerholdet håber, at deres arbejde med at forstå disse molekylers grundlæggende kemiske egenskaber vil føre til muligheden for at designe molekyler, der kan samle sig selv og uafhængigt omorganisere afhængigt af miljøforhold.

Veje afhænger af termodynamik og kinetik

Ark- og burformationerne er mere kemisk stabile på forskellige måder. Burdannelsen er mere termodynamisk stabil, hvilket betyder, at det ville kræve energi at bevæge sig ud af den formation. Laget er mere kinetisk stabilt end buret, hvilket betyder, at molekylerne er langsomme til at ændre position. Forskere er begejstrede for at have udviklet et kunstigt system, der indeholder kompleksiteten af ​​disse forskellige stabiliteter.

"Komplicerede naturlige selvsamlingsreaktioner i levende systemer har ofte kinetisk kontrol, " forklarer Hiraoka.

Proteiner i levende organismer er normalt kinetisk fanget for at blive i deres sunde formationer, selvom det ville være mere termodynamisk stabilt at samle sig til ubrugelige klumper.

I det kunstige system, som Hiraokas forskerhold studerede, når forstadiemolekylerne danner bure, molekylerne forbliver i den endelige position, fordi det er det laveste termodynamiske energiordning.

"Reaktionen i den tidlige fase for at danne buret er meget hurtig, som fortæller os, at anionen fungerer som en kinetisk skabelon for prækursorerne til at danne buret, "sagde Hiraoka.

Imidlertid, reaktionen for at danne arket forløber langsommere, og forskere siger, at molekylerne bliver kinetisk fanget i arkformationen uden tilstedeværelsen af ​​anionen for at give en skabelon, der trækker dem ind i burformationen.

Forskere planlægger at fortsætte med at studere, hvordan selvsamlingsvejen styres, og hvordan man kan manipulere indflydelsen af ​​den kinetiske effekt og termodynamisk stabilitet.