Hvordan kemikere bygger molekylære samlebånd

Fire enorme robotarme omgiver den skinnende metalskal af det, der snart bliver en top-of-the-range bil. De rykker ud i livet, montering af motorhjelmen, sidespejle, og andre paneler. Det er den slags præcisionsoperation, du kan finde på bilfabrikker rundt om i verden i disse dage. Men her er et spørgsmål, der er værd at overveje:kunne vi få en bedrift som denne kun omkring en milliard gange mindre?

I 2016, tre pionerer inden for molekylære maskiner blev anerkendt med en nobelpris. Den første tranche af molekylære maskiner, som de blev belønnet for at skabe, var for det meste simple anliggender såsom rotorer, kontakter og lignende. Nu, kemikere som professor David Leigh ved University of Manchester, Storbritannien, forsøger at bygge sofistikerede molekylære maskiner med flere komponenter, og det kan gøre nyttige job.

At bygge en molekylær maskine er et job for elitekemikere, men de grundlæggende tricks i handlen er lette nok at forstå. Nogle af dem involverer opbygning af molekyler, der er mekanisk forbundet med hinanden. For eksempel, de kan bygge en rotaxan, et ringlignende molekyle gevind på en aksel. Placering af forskellige grupper af atomer langs akslen og derefter manipulere deres egenskaber - f.eks. giver og fjerner en elektrostatisk ladning - kan få ringen til at bevæge sig langs akslen. Dette er den slags enkle komponent, der kan bruges i en mere detaljeret molekylær maskine.

Biokemisk fabrik

Hvilken slags ting kan vi gøre med en mere avanceret molekylær maskine - eller 'nanobotter, "som nogle kalder dem? Prof. Leigh er især interesseret i at bygge nanobotter, der fungerer som en kemisk samlebånd, syntetisere nye kemikalier med interessante egenskaber. Han er inspireret af ribosomet, en biokemisk fabrik i celler, der bygger proteiner. Det kræver simple byggesten kaldet aminosyrer, der findes i kun 20 forskellige naturlige sorter, og sy dem sammen til lange kæder eller polymerer. Afhængig af sekvensen af ​​aminosyrer, disse kæder folder sig sammen til en række biomaterialer, fra keratin, der udgør hud og hår til muskelfibrene.

Kemikere har lavet mange kunstige polymerer, men det er ekstremt svært at kontrollere rækkefølgen, hvor byggestenene er forbundet. "Sekvensspecifikke polymerer er en uløst udfordring inden for kemi, "sagde professor Leigh. Men han tror, ​​at molekylære maskiner kunne være en løsning. Hvis vi havde molekylære maskiner, der kunne samle polymerer, de ville ikke være begrænset til kun de 20 naturlige aminosyre byggesten, så resultatet kunne være et meget bredere udvalg af materialer.

At opnå maskiner, der kan lave sekvensspecifikke polymerer, er langt fra trivielt, siger kemiprofessor Nathalie Katsonis ved University of Groningen i Holland. "Men jeg er overbevist om, at denne forskning vil spille en stor rolle i (kemiens) fremtid, og muligvis også af materialevidenskab. "

Prof. Leigh har jagtet dette mål gennem sit MOLFACTORY -projekt, som begyndte i 2014. I et centralt papir i 2017, Prof. Leigh og hans team viste, at de kunne bygge en molekylær robotarm, en forenklet og meget mindre version af dem, der satte biler sammen. Denne arm griber fat i et reaktivt kemikalie og flytter det til et af to steder. Afhængigt af hvilket sted det er placeret på, kemikaliet reagerer på forskellige måder for at producere forskellige kemiske produkter. Udviklet yderligere, maskiner som denne kunne producere sekvensspecifikke polymerer, der ligner proteiner produceret af ribosomer. Og ligesom forskellige proteiner kan generere kraft (muskler) eller være fem gange stærkere end stål (edderkoppesilke), der kan muliggøre lignende ting med kunstige polymerer såsom en sekvensspecifik polystyren.

"David og hans gruppe udfører fænomenalt kreativt arbejde, "sagde professor Raymond Astumian ved University of Maine i Orono, USA "Ikke alene er de molekylære maskiner, de laver, potentiel praktisk brug, men de er også rettet mod at besvare grundlæggende spørgsmål. "

Endnu et projekt, kaldet ProgNanoRobot, ledet af Dr. Germán Zango, der arbejder i prof. Leighs laboratorium, forsøgte at tage denne produktionsrobot videre. Projektet havde en række mål, bl. herunder fremstilling af robotarme, der kunne køre på et kemisk brændstof og en nano-enhed, der er i stand til at transportere molekylær last over lange atomskala-afstande.

Projektet kørte mellem 2019 og marts 2021 og endnu, der offentliggøres ingen resultater. Men Dr. Zango havde nogle vigtige succeser. Han sagde, at han producerede en enhed, hvor en molekylær last kunne produceres fra en robotarm til en anden, opfylder målet om transport over lange afstande.

"At arbejde med forskning, der kunne føre os mod begyndelsen af ​​nyttig molekylær nanoteknologi, var på samme tid en enorm udfordring og en spændende oplevelse, sagde Dr. Zango.

Udløser

I den nærmeste fremtid, der er flere store udfordringer, som nanobot -forskning skal overvinde. I øjeblikket, det er ofte sådan, at molekylære maskiner skal fodres med en række kemiske udløsere i en bestemt serie for at få dem til at fungere. Hvis systemerne skulle bruges til at producere polymerer i stor skala, det ville producere meget affald. En del af Dr. Zangos arbejde undersøgte at reducere antallet af nødvendige kemiske triggere eller bruge lys som en trigger i stedet. "En af de mest udfordrende ting, vi forsøgte at opnå, var at bruge et enkelt kemisk input til at brænde en hel driftscyklus af maskinen eller kun at bruge fotoswitches, sagde Dr. Zango.

Endnu en kæmpe udfordring, siger prof. Leigh, er fejlretning. Maskiner på nanoskala er klart ulig menneskelige robotter ved, at de altid er udsat for stokastik; du kan oprette en molekylær maskine til at udføre et bestemt job, men du kan aldrig sikre, at det hele tiden fungerer korrekt. Biologien må kæmpe med dette problem, også. I menneskekroppen er der et sæt molekylære maskiner, der bygger biomolekyler og et andet helt sæt med det specifikke job at finde og rette de fejl, der er begået af det første sæt. Professor Leigh siger, at på et tidspunkt, kunstige molekylære maskiner bliver nødt til at omfatte fejlkorrigeringsmekanismer. Den slags arbejde er stadig i sin begyndelse.

Stadig, i oktober 2020, Prof. Leigh og hans team tog et betydeligt skridt i retning af en sekvensspecifik polymersynthesizer. De byggede en rotaxan-baseret robot, hvor en ring 'går' ned ad et spor, at samle molekyler op undervejs og forbinde dem sammen. Resultaterne sluttede kun fire molekyler sammen - langt fra hundrede eller tusinder i et protein - men det var ikke desto mindre et stort skridt.

Professor Leigh sagde, at der nogle gange kan synes at være hype om, hvad molekylære maskiner kan gøre. Men han regner med, at det vil være berettiget på lang sigt. "Jeg tror virkelig, at molekylære maskiner i sidste ende vil revolutionere tingene på den måde, den industrielle revolution eller internettet gjorde, "sagde han. Men det kommer helt sikkert til at tage tid, han tilføjede.

Han indrømmer, at der endnu ikke er noget, han kan gøre med en molekylær maskine, der ikke kan gøres mere enkelt på andre måder. Men når du finder på noget nyt, det er noget, man kan forvente. "Det er meget ligesom stenaldermanden, der laver et hjul til at male majs, "sagde prof. Leigh." Han ved ikke, at den en dag vil blive brugt til at lave en bil. "