Figur 1. En pseudo-rotaxan (konstgjord molekylär maskin) där translationell rörelse av α-cyklodextrin (α-CD) sammanfaller med deuteration. När α-CD rör sig längs tvåstationsaxelmolekylen som visas av den grå pilen, det katalyserar deuteration av axelmolekylen. Kredit:Osaka University
Livet drivs av molekylära maskiner. Finns i varje cell, dessa små motorer omvandlar kemisk energi till arbete för att hålla kroppen i rörelse. Uppfinningen av syntetiska molekylära maskiner, som utför liknande jobb som driver miniatyriserade teknologier, är ett hett ämne inom nanovetenskap.
Nu, ett team under ledning av Osaka University har uppfunnit en spärrliknande molekylär maskin – en potentiell komponent i sofistikerade molekylära enheter – som endast tillåter rörelse i en riktning. Detta gör att rörelsen och den kemiska reaktiviteten hos en molekylär maskin kan observeras samtidigt, vilket har varit en långvarig utmaning.
En klassisk design för molekylära maskiner är en symmetrisk "hantel" - en stor cyklisk molekyl i mitten, instängd mellan skrymmande blockerare i varje ände, länkad med en distans. Inspirerad av detta mönster (känd som rotaxane), Osaka-teamet skapade en pseudo-rotaxan, där alla tre delarna – de två blockerarna ("stationerna") och den centrala cykeln – är små ringar. Studien rapporterades i Vetenskapliga rapporter .
Båda stationerna i deras molekylära maskin är gjorda av pyridinium, en sexledad cykel. Metyl (CH3) grupper är anslutna till varje station, som hullingförsedda krokar. Dock, en station bär en enda metylgrupp, medan den andra änden har två.
"Denna asymmetri sätter upp en axel längs molekylens längd, gynnar rörelse mot den dubbelkrokade änden, som fungerar som en propp, ", säger studieförfattaren Akihito Hashidzume.
Fig.2. En förenklad kinetisk modell för bildandet av pseudo-rotaxan från α-CD och tvåstationsaxelmolekylen. Kredit:Osaka University
Konceptet demonstrerades genom att använda α-cyklodextrin (α-CD), en makrocykel gjord av sex glukosringar. α-CD-ringen är tillräckligt bred för att passa över änden med en krok och glida längs spärrhaken mot proppen. På väg, den samverkar med stationerna och den centrala ringen. Faktiskt, α-CD katalyserar en kemisk reaktion där den spärrliknande molekylen byter ut väteatomer med vattenlösningsmedlet.
Märkningsexperiment bekräftade att detta utbyte endast skedde i ena änden av spärrhaken. När reaktionen utfördes i tungt vatten (D2O), deuterium (D) atomer hittades på metylgrupperna i den enkrokade stationen och den centrala ringen samt på metylenen i den andra stationen, men inte den tvåkrokade proppen. Det verkar som att a-CD passerade över den centrala ringen men blockerades från att nå proppens metylgrupper.
Fig.3. En konceptuell illustration av en konstgjord molekylär spärrhake. Mekanismen för reglering av rörelseriktningen i molekylära maskiner, baserad på kopplingen av rörelse med en entalpiskt driven kemisk reaktion. Kredit:Osaka University
"Här har vi en kemisk reaktion i kombination med rörelse förspänd i en riktning, " säger motsvarande författare Akira Harada. "Vi kallar det 'ansiktselektiv översättning,' eftersom α-CD föredrar att flytta från den ena sidan av pseudo-rotaxan till den andra. Vi tar vår utgångspunkt från naturen:genom att spärra rörelse i en riktning, vi hoppas kunna utnyttja kemisk energi på liknande sätt som biomolekylära motorer, som de i muskler."
