Att använda naturen för inspiration, ett team av forskare från Northwestern University är de första att utveckla en helt artificiell molekylpump, i vilka molekyler pumpar andra molekyler. Denna lilla maskin är ingen liten bedrift. En dag kan pumpen användas för att driva andra molekylära maskiner, som konstgjorda muskler.

Den nya maskinen efterliknar pumpmekanismen för livsuppehållande proteiner som flyttar små molekyler runt levande celler för att metabolisera och lagra energi från mat. För sin mat, den konstgjorda pumpen hämtar kraft från kemiska reaktioner, driver molekyler steg för steg från ett lågenergitillstånd till ett högenergitillstånd – långt borta från jämvikt.

Medan naturen har haft miljarder år på sig att fullända sitt komplexa molekylära maskineri, modern vetenskap börjar bara skrapa på ytan av vad som kan vara möjligt i morgondagens värld.

"Vår molekylpump är radikal kemi - ett genialiskt sätt att överföra energi från molekyl till molekyl, som naturen gör, sade sir Fraser Stoddart, studiens seniorförfattare. Stoddart är styrelsens professor i kemi vid Northwesterns Weinberg College of Arts and Sciences.

"Alla levande organismer, inklusive människor, måste kontinuerligt transportera och omfördela molekyler runt sina celler, använda vitala bärarproteiner, ", sa han. "Vi försöker återskapa verkan av dessa proteiner med relativt enkla små molekyler som vi gör i laboratoriet."

Detaljer om den konstgjorda molekylära pumpen publicerades den 18 maj av tidskriften Naturens nanoteknik .

Chuyang Cheng, en fjärdeårs doktorand i Stoddarts laboratorium och första författare till tidningen, har tillbringat sin Ph.D. studier som forskar om molekyler som efterliknar naturens biokemiska maskineri. Han designade först en konstgjord pump för två år sedan, men det krävdes mer än ett år av att testa prototyper innan han hittade den ideala kemiska strukturen.

"I vissa avseenden, vi ber molekylerna att bete sig på ett sätt som de inte skulle göra normalt, " sa Cheng. "Det är ungefär som att försöka trycka ihop två magneter. De ringformade molekylerna vi arbetar med stöter bort varandra under normala omständigheter. Den konstgjorda pumpen kan suga bort en del av energin som byter händer under en kemisk reaktion och använder den för att trycka ihop ringarna."

Den lilla molekylära maskinen trär ringarna runt en nanoskopisk kedja - en sorts axel - och klämmer ihop ringarna, med bara några få nanometer som skiljer dem åt. För närvarande, den konstgjorda molekylära pumpen kan bara tvinga ihop två ringar, men forskarna tror att det inte kommer att dröja länge innan de kan utöka verksamheten till tiotals ringar och lagra mer energi.

Stoddarts team har forskat på konstgjorda molekylära maskiner i flera år. En utmaning de har ställts inför under lång tid är hur de ska driva sina maskiner. Detta senaste framsteg kan göra det möjligt för dem att tillverka maskiner som utför uppgifter på molekylär nivå.

Jämfört med naturens system, den konstgjorda pumpen är mycket enkel, men det är en början, säger forskarna. De har designat ett nytt system, använda kinetiska barriärer, som tillåter molekyler att flöda "uppför" energiskt.

"Detta är icke-jämviktskemi, flytta molekyler långt bort från deras minimala energitillstånd, som är avgörande för livet, " sa Paul R. McGonigal, en författare till studien. "Att genomföra icke-jämviktskemi på detta sätt, med enkla konstgjorda molekyler, är en av de stora utmaningarna för vetenskapen under 2000-talet."

I sista hand, de tänker använda energin som lagras i deras pump för att driva konstgjorda muskler och andra molekylära maskiner. Forskarna hoppas också att deras design kommer att inspirera andra kemister som arbetar med icke-jämviktskemi.

"Detta är helt olik processen att designa maskineriet vi är vana vid att se i vardagen, " sa Stoddart. "På ett sätt, man måste lära sig att se saker ur molekylernas synvinkel, med tanke på krafter som slumpmässig termisk rörelse som man aldrig skulle tänka på när man bygger en vattenpump för jordbruket eller någon annan mekanisk anordning."