Naturen inspirerer den første kunstige molekylære pumpe

At bruge naturen til inspiration, et team af forskere fra Northwestern University er de første til at udvikle en helt kunstig molekylær pumpe, hvori molekyler pumper andre molekyler. Denne lille maskine er ikke en lille bedrift. Pumpen kan en dag blive brugt til at drive andre molekylære maskiner, såsom kunstige muskler.

Den nye maskine efterligner pumpemekanismen for livsopretholdende proteiner, der flytter små molekyler rundt i levende celler for at metabolisere og lagre energi fra mad. For sin mad, den kunstige pumpe trækker strøm fra kemiske reaktioner, at drive molekyler trin for trin fra en lavenergitilstand til en højenergitilstand - langt væk fra ligevægt.

Mens naturen har haft milliarder af år til at perfektionere sit komplekse molekylære maskineri, moderne videnskab er kun begyndt at ridse overfladen af, hvad der kan være muligt i morgendagens verden.

"Vores molekylære pumpe er radikal kemi - en genial måde at overføre energi fra molekyle til molekyle, som naturen gør, " sagde Sir Fraser Stoddart, undersøgelsens seniorforfatter. Stoddart er bestyrelsesprofessor i kemi ved Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences.

"Alle levende organismer, inklusive mennesker, skal kontinuerligt transportere og omfordele molekyler rundt i deres celler, brug af vitale bærerproteiner, " sagde han. "Vi forsøger at genskabe disse proteiners handlinger ved hjælp af relativt simple små molekyler, vi laver i laboratoriet."

Detaljer om den kunstige molekylære pumpe blev offentliggjort 18. maj af tidsskriftet Natur nanoteknologi .

Chuyang Cheng, en fjerdeårs kandidatstuderende i Stoddarts laboratorium og første forfatter til papiret, har brugt sin ph.d. undersøgelser, der forsker i molekyler, der efterligner naturens biokemiske maskineri. Han designede første gang en kunstig pumpe for to år siden, men det krævede mere end et års test af prototyper, før han fandt den ideelle kemiske struktur.

"I nogle henseender, vi beder molekylerne om at opføre sig på en måde, som de ikke ville gøre normalt, " sagde Cheng. "Det er meget som at prøve at skubbe to magneter sammen. De ringformede molekyler, vi arbejder med, frastøder hinanden under normale omstændigheder. Den kunstige pumpe er i stand til at suge noget af den energi fra, der skifter hænder under en kemisk reaktion, og bruger den til at skubbe ringene sammen."

Den lille molekylære maskine trækker ringene rundt om en nanoskopisk kæde - en slags aksel - og klemmer ringene sammen, med kun få nanometer, der adskiller dem. På nuværende tidspunkt den kunstige molekylære pumpe er i stand til kun at tvinge to ringe sammen, men forskerne mener, at det ikke vil vare længe, ​​før de kan udvide driften til titusvis af ringe og lagre mere energi.

Stoddarts team har forsket i kunstige molekylære maskiner i flere år. En udfordring, de har stået over for i lang tid, er, hvordan de skal drive deres maskiner. Dette seneste fremskridt kan give dem mulighed for at lave maskiner, der udfører opgaver på molekylært niveau.

Sammenlignet med naturens system, den kunstige pumpe er meget enkel, men det er en start, siger forskerne. De har designet et nyt system, brug af kinetiske barrierer, der tillader molekyler at flyde "op ad bakke" energisk.

"Dette er ikke-ligevægtskemi, flytte molekyler langt væk fra deres minimumsenergitilstand, som er afgørende for livet, " sagde Paul R. McGonigal, en forfatter til undersøgelsen. "At udføre ikke-ligevægtskemi på denne måde, med simple kunstige molekyler, er en af ​​de store udfordringer for videnskaben i det 21. århundrede."

Ultimativt, de har til hensigt at bruge energien, der er lagret i deres pumpe, til at drive kunstige muskler og andre molekylære maskiner. Forskerne håber også, at deres design vil inspirere andre kemikere, der arbejder i ikke-ligevægtskemi.

"Dette er fuldstændig i modsætning til processen med at designe det maskineri, vi er vant til at se i hverdagen, " sagde Stoddart. "På en måde, man skal lære at se tingene fra molekylernes synspunkt, overvejer kræfter såsom tilfældig termisk bevægelse, som man aldrig ville overveje, når man bygger en landbrugsvandpumpe eller nogen anden mekanisk enhed."