Molekylär struktur av den rotaxanfunktionaliserade MOF.(A ) Representation av en organisk länk som förbinder fyra oorganiska Zn4 O hörn. Den vänstra bilden skissar byggstenens struktur, den mittersta bilden visar en atomistisk bild av byggstenen i boll-och-stick-representation, och den högra bilden visar en förenkling av den atomistiska bilden. De oorganiska hörnen visualiseras av stora gula bollar och den molekylära tvärstången (rotaxanaxeln) förenklas av en röd pinne. (B ) Visualisering av porstrukturen från z riktning (vy ovanifrån). Bilden i det övre vänstra hörnet visar orienteringen av byggblocket från z riktning. Bilden till höger visar porstrukturen för den periodiskt sammansatta MOF-strukturen. För tydlighetens skull utelämnas olika delar av MOF, vilket framhäver arrangemanget av tvärstängerna (höger övre utdrag, förenklat med en färgad stickrepresentation), de organiska länkarna (utdrag längst ner till vänster) och ringarna (utdrag längst ner till höger). Zoominvyn illustrerar det relativa arrangemanget av tre länkar i en por. (C ) Illustration av arrangemanget av tvärbalkarna i z riktning. Den översta bilden visar en perspektivvy av den molekylära helixen, bildad av tvärstängerna i en por. Den nedre bilden visar det kedjeliknande arrangemanget längs z riktning. Den tunna grå kopplingen mellan tvärstängerna (färgade pinnar) är endast en guide för ögat som framhäver kedjestrukturen. (D ) Differentiering av ringarrangemang i tre fall, var och en med olika lokala miljöer. (E ) Radiell distributionsfunktion (RDF) som mäter det relativa avståndet mellan ringarna för alla tre fallen (M , violett graf; D , grön graf; T , mörkblå graf). Den röda linjen markerar avståndet till en intilliggande endimensionell kedja. Kredit:Science Advances (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn4426
Fysiker vid universitetet i Münster är de första som framgångsrikt avslöjar den dynamiska interaktionen mellan en klass av artificiella molekylära maskiner - de så kallade molekylära skyttlarna - genom att använda molekylär-dynamiska simuleringar. Studien har nu publicerats i Science Advances .
Molekylära maskiner styr ett stort antal grundläggande processer i naturen. Inbäddade i en cellulär miljö spelar dessa processer en central roll i den intracellulära och intercellulära transporten av molekyler, såväl som i muskelkontraktion hos människor och djur. För att hela organismen ska fungera är en väldefinierad orientering och arrangemang av de molekylära maskinerna väsentligt. Till exempel möjliggör den specifika inbäddningen av motorproteiner - som utgör en klass av biomolekylära maskiner - en dynamisk interaktion att äga rum mellan de otaliga proteinerna. Som ett resultat förstärks rörelse på molekylär nivå och överförs i olika storlekar upp till den makroskopiska nivån.
Inspirerad av dessa biologiska system är utvecklingen av celltypsmaterial baserade på artificiella molekylära maskiner ett aktuellt forskningsområde. För att kunna använda dessa maskiners molekylära samverkan i motsvarande material specifikt för tillämpningar inom materialvetenskap eller medicin, är en detaljerad förståelse av både den molekylära inbäddningen i en matris och av de intermolekylära interaktionerna avgörande. Elena Kolodzeiski och Dr Saeed Amirjalayer från Institutet för fysik vid universitetet i Münster är de första som framgångsrikt avslöjar den dynamiska interaktionen mellan en klass av artificiella molekylära maskiner – de så kallade molekylära skyttlarna – genom att använda molekylär-dynamiska simuleringar.
Molekylära skyttlar är konstruerade av hantelformade och ringformade molekyler som är kopplade till varandra genom mekaniska bindningar. "Denna mekaniska länk på molekylär nivå leder till att ringen kan röra sig riktad från den ena sidan till den andra längs axeln. Denna specifika pendelrörelse har redan använts för att utveckla molekylära maskiner", förklarar Amirjalayer, som ledde studien och nyligen flyttade till Institute of Solid-State Theory vid Münster University.
Utifrån detta arbetar forskare världen över med en riktad användning av dessa molekylära maskiner i funktionella material. Metallorganiska ramverk, som är sammansatta i ett modulärt tillvägagångssätt av organiska och oorganiska byggnadsenheter, visar sig vara en lovande matris för att bädda in dessa mekaniskt sammanlänkade molekyler i celltypsstrukturer. Även om en serie av dessa system har syntetiserats under de senaste åren, har en grundläggande förståelse för de dynamiska processerna i dessa material oftast saknats.
"Vår studie ger en detaljerad inblick i hur inbyggda maskiner fungerar och interagerar", säger huvudförfattaren Elena Kolodzeiski. "Samtidigt kunde vi härleda parametrar som gör det möjligt att variera typen av rörelse hos molekylära skyttlar inom de metallorganiska ramverken."
En riktad styrning av dynamiken erbjuder lovande möjligheter att påverka transportegenskaperna hos molekyler i membran eller för att koordinera katalytiska processer. Forskarna hoppas att deras molekylära dynamiska simuleringar ska ligga till grund för nya typer av material för katalytiska och medicinska tillämpningar. Hur effektiva sådana material kan vara visas av de olika funktionaliteterna hos molekylära maskiner i biologiska celler. + Utforska vidare
