Kemister syntetiserar vanligtvis molekyler med hjälp av stokastiska bindningsbildande kollisioner av reaktantmolekylerna i lösning. Naturen följer en annan strategi för biokemisk syntes. Majoriteten av biokemiska reaktioner drivs av proteinkomplex av maskintyp som binder och positionerar de reaktiva molekylerna för selektiva transformationer. Konstgjorda "molekylära assemblerare" som utför "mekanosyntes" har föreslagits som ett nytt paradigm inom kemi och nanotillverkning. Ett team av kemister vid Kiel University (Tyskland) byggde den första konstgjorda monteraren, som utför syntes och använder ljus som energikälla. Systemet kombinerar selektiv bindning av reaktanterna, korrekt positionering, och aktiv frisättning av produkten. Forskarna publicerade sina fynd i tidskriften Kommunikationskemi .

Idén med molekylära assemblers, som kan bygga molekyler, har redan föreslagits 1986 av K. Eric Drexler, baserat på idéer från Richard Feynman, Nobelpristagare i fysik. I sin bok "Engines of Creation:The Coming Era of Nanotechnology" och uppföljande publikationer föreslår Drexler molekylära maskiner som kan positionera reaktiva molekyler med atomär precision och bygga större, mer sofistikerade strukturer via mekanosyntes. Om en sådan molekylär nanobot skulle kunna bygga någon molekyl, det kan säkert bygga en annan kopia av sig själv, dvs det kan replikera sig själv. Dessa fantasifulla visioner inspirerade ett antal science fiction -författare, men startade också en intensiv vetenskaplig kontrovers.

Problemet med "klibbiga fingrar"

Debatten kulminerade i en omslagsartikel av Chemical &Engineering News 2003 med nyckelfrågan:"Är molekylära assemblerare - enheter som kan positionera atomer och molekyler för exakt definierade reaktioner - möjliga?" Här framförde Nobelpristagaren Richard E. Smalley två stora invändningar:problemet med "fetta fingrar" och "klibbiga fingrar":För att greppa och vägleda varje enskild atom måste montören ha många nanofingrar. Smalley hävdade att det bara inte finns tillräckligt med utrymme i reaktionsområdet i nanometerstorlek för att rymma alla fingrar på alla manipulatorer som är nödvändiga för att ha fullständig kontroll över kemin. "Sticky finger" -frågan uppstår från problemet att atomerna i manipulatorns händer kommer att fästa vid atomen som flyttas. Så det blir ofta omöjligt att släppa byggstenen på precis rätt plats. Smalley drar slutsatsen att problemen med fett och klibbiga fingrar är grundläggande och inte kan undvikas.

Tittar på naturens molekylära sammansättare

Dock, i naturen, många exempel på molekylära sammansättningar finns, såsom ribosomen, icke-ribosomala peptidsyntetaser, polyketidsyntaser, och ATP-syntas. "När det gäller molekylära assemblerare kan vi säga, om naturen använder molekylära assemblers för syntes, kemister borde – åtminstone i princip – kunna bygga och driva konstgjorda sammansättningsmaskiner i laboratoriet", säger Rainer Herges, professor i organisk kemi och talesman för Collaborative Research Center 677 "Function by Switching" vid Kiel University.

Herges och hans team har nu byggt den första konstgjorda monteringsmaskinen, som använder ljus som energikälla. När man tittade på molekylära sammansättare i naturen försökte de systematiskt minska sin sofistikering och komplexitet till en nivå, uppnås med syntetisk kemi. Syntesen av ATP från ADP och fosfat och de icke-ribosomala peptidsyntetaserna fungerade som paragoner.

Fotoswitchbar ligand leder genom en reaktion

De tar tag i reaktanterna, fyra vanadatjoner, föra dem nära varandra och sammanfoga dem till ringar. Genom att placera reaktanterna, en fotoswitchbar ligand leder reaktanterna genom en specifik reaktionskanal, och en molekyl bildas som inte finns i utgångslösningen. Den fotokemiska omkopplingen av liganden till ett icke-bindande tillstånd utlöser också frisättningen av produkten - och löser problemet med "klibbigt finger". Forskargruppen valde UV-ljus som extern energikälla eftersom det är bekvämt att applicera och inga störande biprodukter bildas i motsats till kemiska energikällor.

Ett paradigmskifte i kemisk syntes

Liknande molekylära maskiner, såsom assemblers som kondenserar aminosyror till proteiner skulle utlösa ett paradigmskifte i kemisk syntes. Uppenbara fördelar är färre biprodukter, enantioselektivitet, och kortare syntesvägar eftersom mekanosyntesen tvingar molekylerna in i en fördefinierad reaktionskanal. "Dessutom, ringprodukten har högre energi som utgångsmaterial. Med andra ord, ljusenergi omvandlas till kemisk energi", understryker Herges. "Även om mekanosyntes med artificiella molekylära assemblers är extremt utmanande, det är värt att undersöka och kan ge ett nytt sätt för ljusenergiomvandling."