Visionen om framtiden för miniatyrisering har producerat en serie syntetiska molekylära motorer som drivs av en rad energikällor och kan utföra olika rörelser. En forskargrupp vid Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) har nu lyckats styra en katalysreaktion med hjälp av en ljusstyrd motor. Detta tar oss ett steg närmare att förverkliga visionen om en nanofabrik där kombinationer av olika maskiner samverkar, som är fallet i biologiska celler. Resultaten har publicerats i Journal of the American Chemical Society .

Mekanikens lagar kan inte alltid tillämpas

Per definition, en motor omvandlar energi till en specifik typ av kinetisk energi. På molekylär nivå, till exempel, proteinet myosin kan producera muskelsammandragningar med hjälp av kemisk energi. Sådana nanomaskiner kan nu tillverkas syntetiskt. Dock, de molekyler som används är mycket mindre än proteiner och betydligt mindre komplexa.

"Mekanisk fysiks lagar kan inte bara tillämpas på molekylär nivå, " säger Prof. Dr. Henry Dube, Ordförande för organisk kemi I vid FAU. Tröghet, till exempel, finns inte på denna nivå, han förklarar. Utlöst av Brownsk rörelse, partiklar är ständigt i rörelse. "Att aktivera en roterande motor räcker inte, du måste införliva en typ av spärrmekanism som hindrar den från att vända bakåt, " han förklarar.

2015 vid LMU i München, Prof. Dube och hans team utvecklade en särskilt snabb molekylär motor som drivs av synligt ljus. Under 2018, de utvecklade den första molekylära motorn som drivs enbart av ljus och fungerar oavsett omgivningstemperaturen. Ett år senare, de utvecklade en variant som inte bara kan rotera utan också utföra en åtta rörelse. Alla motorer är baserade på hemithioindigo-molekylen, en asymmetrisk variant av det naturligt förekommande färgämnet indigo där en svavelatom ersätter kväveatomen. En del av molekylen roterar i flera steg i motsatt riktning mot den andra delen av molekylen. De energidrivna stegen utlöses av synligt ljus och modifierar molekylerna så att omvända reaktioner blockeras.

Standardkatalysatorer i bruk

Efter att ha kommit till FAU, Henry Dube använde den roterande motorn som utvecklades 2015 för att kontrollera en separat kemisk process för första gången. Den rör sig i fyra steg runt hemithioindigons koldubbelbindning. Två av de fyra steg som utlöses av en fotoreaktion kan användas för att kontrollera en katalysreaktion. "Grönt ljus genererar en molekylstruktur som binder en katalysator till hemithioindigo och blått ljus frigör katalysatorn, " förklarar kemisten.

En standardkatalysator används som inte har några metallatomer. Använda elektrostatiska krafter, katalysatorn dockar via en vätebindning till en syreatom i "motormolekylen." Alla katalysatorer som använder en vätebindning kan användas, i princip. "Den stora fördelen med hemithioindigo är att dess medfödda struktur har en bindningsmekanism för katalysatorer, " förklarar prof. Dube. Annars skulle det behöva tillsättas med kemisk syntes.

Rotationen av hemithioindigo-motorn styrs av synligt ljus. På samma gång, systemet tillåter målinriktad frisättning och bindning av en katalysator som accelererar eller bromsar önskade kemiska reaktioner. "Detta projekt är ett viktigt steg mot att enkelt och på olika sätt integrera molekylära motorer i kemiska processer, ", säger professor Dube. "Detta kommer att låta oss syntetisera komplex medicin med hög precisionsnivå med hjälp av molekylära maskiner som en produktionslinje i framtiden."