Fysikere afkoder den dynamiske interaktion mellem molekylære maskiner i metal-organiske rammer

Fysikere ved universitetet i Münster er de første til med succes at afsløre den dynamiske interaktion mellem en klasse af kunstige molekylære maskiner - de såkaldte molekylære shuttles - ved at bruge molekylær-dynamiske simuleringer. Undersøgelsen er nu blevet offentliggjort i Science Advances .

Molekylære maskiner styrer et betydeligt antal fundamentale processer i naturen. Indlejret i et cellulært miljø spiller disse processer en central rolle i den intracellulære og intercellulære transport af molekyler, såvel som i muskelsammentrækning hos mennesker og dyr. For at hele organismen kan fungere, er en veldefineret orientering og opstilling af de molekylære maskiner afgørende. For eksempel muliggør den specifikke indlejring af motorproteiner - som udgør en klasse af biomolekylære maskiner - en dynamisk interaktion mellem de utallige proteiner. Som et resultat bliver bevægelse på molekylært niveau forstærket og overført gennem forskellige størrelser op til det makroskopiske niveau.

Inspireret af disse biologiske systemer er udviklingen af ​​celletype materialer baseret på kunstige molekylære maskiner et aktuelt forskningsfelt. For at bruge disse maskiners molekylære kooperativitet i tilsvarende materialer specifikt til anvendelser inden for materialevidenskab eller medicin, er en detaljeret forståelse af både den molekylære indlejring i en matrix og af de intermolekylære interaktioner afgørende. Elena Kolodzeiski og Dr. Saeed Amirjalayer fra Institut for Fysik ved Universitetet i Münster er de første til med succes at afsløre den dynamiske interaktion mellem en klasse af kunstige molekylære maskiner – de såkaldte molekylære skytter – ved at bruge molekylær-dynamiske simuleringer.

Molekylær skyttel er konstrueret af håndvægtformede og ringformede molekyler, som er forbundet med hinanden gennem mekaniske bindinger. "Dette mekaniske led på molekylært niveau fører til, at ringen kan bevæge sig rettet fra den ene side til den anden langs aksen. Denne specifikke pendulbevægelse er allerede blevet brugt til at udvikle molekylære maskiner," forklarer Amirjalayer, der stod i spidsen for undersøgelsen og for nylig flyttet til Institute of Solid-State Theory ved Münster University.

På baggrund af dette arbejder forskere verden over på en målrettet brug af disse molekylære maskiner i funktionelle materialer. Metal-organiske rammer, som er samlet i en modulær tilgang af organiske og uorganiske bygningsenheder, viser sig at være en lovende matrix til indlejring af disse mekanisk indbyrdes forbundne molekyler i celle-type strukturer. Selvom en række af disse systemer er blevet syntetiseret i løbet af de seneste år, har en grundlæggende forståelse af de dynamiske processer i disse materialer for det meste manglet.

"Vores undersøgelse giver et detaljeret indblik i, hvordan indlejrede maskiner fungerer og interagerer," siger hovedforfatter Elena Kolodzeiski. "Samtidig var vi i stand til at udlede parametre, som gør det muligt at variere typen af ​​bevægelse af de molekylære skytter inden for de metalorganiske rammer."

En målrettet styring af dynamikken giver lovende muligheder for at påvirke transportegenskaberne af molekyler i membraner eller for at koordinere katalytiske processer. Forskerne håber, at deres molekylær dynamiske simuleringer vil danne grundlag for nye typer materialer til katalytiske og medicinske anvendelser. Hvor effektive sådanne materialer kan være, vises af de forskellige funktionaliteter af molekylære maskiner i biologiske celler. + Udforsk yderligere

Forskere laver en fotografisk film af en molekylær switch