Fyra enorma robotarmar omger det glänsande metallskalet på vad som snart kommer att bli en förstklassig bil. De rycker in i livet, fästa motorhuven, ytterspeglarna, och andra paneler. Det är den typ av precisionsoperation man kan hitta på bilfabriker runt om i världen nuförtiden. Men här är en fråga värd att överväga:skulle vi kunna göra en bedrift som denna bara ungefär en miljard gånger mindre?

2016, tre pionjärer inom molekylära maskiner belönades med ett Nobelpris. Den första delen av molekylära maskiner som de belönades för att skapa var mestadels enkla affärer som rotorer, strömbrytare och liknande. Nu, kemister som professor David Leigh vid University of Manchester, STORBRITANNIEN., försöker bygga sofistikerade molekylära maskiner med flera komponenter och som kan göra användbara jobb.

Att bygga en molekylär maskin är ett jobb för elitkemister, men de grundläggande knepen i branschen är lätta nog att förstå. Vissa av dem handlar om att bygga molekyler som är mekaniskt kopplade till varandra. Till exempel, de kan bygga en rotaxan, en ringliknande molekyl gängad på ett skaft. Att placera olika grupper av atomer längs axeln och sedan manipulera deras egenskaper – till exempel, att ge och ta bort en elektrostatisk laddning – kan få ringen att röra sig längs axeln. Detta är den typ av enkel komponent som skulle kunna användas i en mer utarbetad molekylär maskin.

Biokemisk fabrik

Vad kan vi göra med en mer avancerad molekylär maskin – eller nanobotar, " som vissa kallar dem? Prof. Leigh är särskilt intresserad av att bygga nanobotar som fungerar som ett kemiskt löpande band, syntetisera nya kemikalier med intressanta egenskaper. Han är inspirerad av ribosomen, en biokemisk fabrik i celler som bygger proteiner. Det kräver enkla byggstenar som kallas aminosyror, som finns i bara 20 olika naturliga varianter, och syr ihop dem till långa kedjor eller polymerer. Beroende på sekvensen av aminosyror, dessa kedjor viker sig upp till en rad biomaterial, från keratinet som utgör hud och hår till musklernas fibrer.

Kemister har gjort många konstgjorda polymerer, men det är extremt svårt att kontrollera i vilken ordning byggstenarna sammanfogas. "Sekvensspecifika polymerer är en olöst utmaning inom kemi, " sa prof. Leigh. Men han tror att molekylära maskiner skulle kunna vara en lösning. Om vi ​​hade molekylära maskiner som kunde sätta ihop polymerer, de skulle inte vara begränsade till bara de 20 naturliga aminosyrabyggstenarna, så resultatet kan bli ett mycket bredare utbud av material.

Att åstadkomma maskiner som kan göra sekvensspecifika polymerer är långt ifrån trivialt, säger kemiprofessor Nathalie Katsonis vid universitetet i Groningen i Nederländerna. "Men jag är övertygad om att denna forskning kommer att spela en stor roll i (kemins) framtid, och möjligen av materialvetenskap också."

Prof. Leigh har jagat detta mål genom sitt MOLFACTORY-projekt, som började 2014. I ett nyckeldokument 2017, Prof. Leigh och hans team visade att de kunde bygga en molekylär robotarm, en förenklad och mycket mindre version av de som sätter ihop bilar. Denna arm tar tag i en reaktiv kemikalie och flyttar den till en av två platser. Beroende på vilken plats den är placerad på, kemikalien reagerar på olika sätt för att producera olika kemiska produkter. Utvecklas vidare, maskiner som denna skulle kunna producera sekvensspecifika polymerer som liknar de proteiner som produceras av ribosomer. Och precis som olika proteiner kan generera kraft (muskler) eller vara fem gånger starkare än stål (spindelsilke), som kan möjliggöra liknande saker med konstgjorda polymerer som en sekvensspecifik polystyren.

"David och hans grupp gör ett fenomenalt kreativt arbete, " sa professor Raymond Astumian vid University of Maine i Orono, U.S.A. "Inte bara är de molekylära maskiner de gör av potentiell praktisk användning, men de är också inriktade på att svara på grundläggande frågor."

Ett annat projekt, kallas ProgNanoRobot, ledd av Dr Germán Zango som arbetar i Prof. Leighs laboratorium, försökte ta denna produktionsrobot vidare. Projektet hade ett antal mål, inklusive att producera robotarmar som kan drivas på ett kemiskt bränsle och en nanoenhet som kan transportera molekylär last över långa avstånd i atomär skala.

Projektet pågick mellan 2019 och mars 2021 och ännu, inga resultat publiceras. Men Dr Zango hade några viktiga framgångar. Han sa att han tillverkade en enhet där en molekylär last kunde produceras från en robotarm till en annan, uppfylla målet om transporter över långa avstånd.

"Att arbeta med forskning som kan leda oss mot gryningen av användbar molekylär nanoteknik var samtidigt en enorm utmaning och en spännande upplevelse, " sa Dr Zango.

Utlösare

Inom en snar framtid, det finns flera stora utmaningar som nanobotforskning behöver övervinna. Just nu, det är ofta så att molekylära maskiner måste matas med ett antal kemiska triggers i en viss serie för att få dem att fungera. Om systemen skulle användas för att producera polymerer i skala, det skulle producera mycket avfall. En del av Dr Zangos arbete undersökte att minska antalet kemiska triggers som behövs eller att använda ljus som en trigger istället. "En av de mest utmanande sakerna vi försökte uppnå var att använda en enda kemikalieinsats för att driva hela maskinens driftscykel eller att bara använda fotoswitchar, " sa Dr Zango.

Ännu en stor utmaning, säger prof. Leigh, är felkorrigering. Maskiner på nanoskala skiljer sig tydligt från robotar i mänsklig skala genom att de alltid är föremål för stokasticitet; du kan ställa in en molekylär maskin för att göra ett visst jobb, men du kan aldrig säkerställa att det kommer att fungera korrekt hela tiden. Biologin måste brottas med detta problem, för. I människokroppen finns en uppsättning molekylära maskiner som bygger biomolekyler och en annan hel uppsättning med det specifika jobbet att hitta och korrigera felen som gjordes av den första uppsättningen. Prof. Leigh säger att någon gång, artificiella molekylära maskiner måste inkludera felkorrigeringsmekanismer. Den sortens arbete är fortfarande i sin linda.

Fortfarande, i oktober 2020, Prof. Leigh och hans team tog ett betydande steg mot en sekvensspecifik polymersyntes. De byggde en rotaxanbaserad robot där en ring "går" nerför ett spår, plocka upp molekyler längs vägen och foga ihop dem. Resultaten sammanfogade bara fyra molekyler – långt ifrån hundratals eller tusentals i ett protein – men det var ändå ett stort steg.

Prof. Leigh sa att det ibland kan verka hajp om vad molekylära maskiner kan göra. Men han räknar med att det kommer att vara motiverat på sikt. "Jag tror verkligen att molekylära maskiner så småningom kommer att revolutionera saker och ting på det sätt som den industriella revolutionen eller internet gjorde, " sa han. Men det kommer definitivt att ta tid, han lade till.

Han medger att han ännu inte kan göra något med en molekylär maskin som inte kan göras enklare på andra sätt. Men när du uppfinner något nytt, det är något att vänta. "Det är mycket som stenåldersmänniskan som gör ett hjul för att mala majs, " sade prof. Leigh. "Han vet inte att den en dag kommer att användas för att tillverka en bil."