Forskere perfektionerer knudebindingsteknikker med molekylær streng

En gruppe kemikere fra Manchester har for første gang bundet en række mikroskopiske knob ved hjælp af individuelle molekyler, indvarslingen af ​​en form for vævning i nanoskala, som kunne skabe en ny generation af avancerede materialer.

Gruppen baseret på University of Manchester har udviklet en måde at binde en kunstig 15 nanometer (15 milliontedele af en millimeter) molekylær streng i en hvilken som helst af tre forskellige knuder, ligesom hvis man bruger et stykke snor.

Et stykke snor kan bindes i forskellige knuder, nogle med karakteristiske egenskaber, der kan udnyttes til forskellige funktioner fra snørebånd til løkker, træk, bøjninger og stopknuder. Noget af det mest avancerede udstyr, der nogensinde er udviklet, inklusive NASA Curiosity Rover brugt på Mars, bruge knob til at udføre nøgleopgaver. Selvom nogle DNA- og proteinmolekyler eksisterer i sammenknyttet form, tidligere har det ikke været muligt at binde et molekyle til mere end én kompleks knude.

Den nye forskning offentliggjort i dag i tidsskriftet Natur , demonstrerer, hvordan forskerne var i stand til at efterligne naturlige molekylærbiologiske processer for at opnå laboratoriefremstillede alternativer til en række potentielle anvendelser. Biologi bruger 'molekylære assistenter' kaldet chaperoner til at folde proteiner til sammenknyttede strukturer, og Manchester-forskerne anvendte det samme koncept på en syntetisk molekylær streng ved hjælp af metalatomer til at guide foldningsprocessen.

Professor David Leigh, fra University of Manchester ledede forskningen, han sagde:"Vi var i stand til at binde forskellige knob i en molekylær streng ved at bruge metalatomer til at folde og flette strengen. De to grønne steder binder til et kobberatom; de tre lilla steder binder til et lutetiumatom. Sammenføjning af endegrupperne forhindrer, at knuden løsnes, når metalatomerne fjernes."

Den samme gruppe havde tidligere knyttet verdens mindste knude og nåede deres forskning videre her ved at bruge grundlæggende metoder, som ville være bekendt for enhver, der sluttede sig til spejderne. At være i stand til at lave forskellige typer molekylære knuder betyder, at forskere bør være i stand til at undersøge, hvordan binding påvirker styrken og elasticiteten af ​​materialer, hvilket vil sætte dem i stand til at væve polymerstrenge for at generere nye typer materialer.

Nøglen var at intersperse bindingssteder for forskellige metalioner langs den molekylære streng. Når et metalatom binder sig til bestemte steder på strengen, får det strengen til at folde og skabe et over-under 'virvling' i tråden. Forskellige tangles kombineres for at danne større knob ifølge tangle-teorien (udviklet af matematikeren John H. Conway, også kendt for at udvikle 'Game of Life'). Forskellige kombinationer af metalioner (kobber og/eller lutetium, eller ingen, tilladt en hvilken som helst af tre forskellige knob – en uknob, en trefoil knude, og en knude med tre snoninger - der skal bindes i den samme molekylære streng.

At binde den molekylære streng i forskellige knob ændrer dens egenskaber. Når tråden er bundet til det strammeste, mest komplekse, knude - den tre-snoede knude - den kan binde to metalatomer samtidigt, et kobberatom og et lutetiumatom. Imidlertid, de løsere knaster (f.eks. trefoil-knuden og unknoden) kan kun binde ét metalatom ad gangen – enten ét kobberatom, eller et lutetiumatom. uventet, metalbindingen kan også ændre den måde, hvorpå den knyttede løkke er viklet ind, som et molekylært spil kattens vugge.

Evnen til at binde en molekylær streng i forskellige knob, og efterfølgende ændre regionen og graden af ​​sammenfiltring, åbner op for nye muligheder og forskningsretninger for at modificere funktionen og egenskaberne af andre molekylære kæder, såsom polymerer og plast.