分子机器

如果我们生活在一个由分子机器,世界太小看到但影响我们日常生活的方方面面?在某种意义上,我们已经做的:生物使用它们的一切——从收获来自太阳的能量的方式,我们看到,蛋白质是最复杂的。科学家们已经开始称他们的机器,因为就像那些由人类设计的,他们在回应一个输入产生机械运动,让他们执行任务。而生物学完善其机器在数十亿年的进化,化学家们热衷于模仿这些结构是刚刚开始。

在1980年代后期,研究人员开始构建分子包含机械联锁的组装组件,在两个或两个以上的零件不能被分离而不破坏共价键。其中最流行的是rotaxane——一个哑铃状分子与环缠绕在中心,自由滑动沿着轴两端但太小。的信贷使分子机器吸引化学家弗雷泽·斯图达特,”回忆说大卫利英国曼彻斯特大学的。”他的视觉意识到这些架构给你大amplitude-controlled运动的可能性,而分子机器的基础。”

就在十年前,一个团队在美国领导的弗雷泽·斯图达特在伊利诺斯州西北大学,现在,表明他们可以利用轮烷弯曲黄金。¹他们使用氧化还原化学控制位置的macrocycle航天飞机来回在两个站之间的线程:在中性macrocycle tetrathiafulvalene单元具有高度的亲和力,但氧化是排斥萘站坐的更舒服。当两个轮烷耦合在一起,环发现自己要么4.2或1.4 nm根据氧化还原状态。通过锚定重点黄金表面,该集团能够模仿的收缩和扩展,肌肉和使用这些开关微米大小的金色光束弯曲。

重新发明轮子

斯托达特的研究表明,分子机器可能影响对象很多震级大于自己,但是展望未来开关,科学家已经转移到设计更复杂的电机系统。

nanocar——四轮驱动的分子在铜表面,使2011年的新闻。²本Feringa荷兰格罗宁根大学和同事设计了一个马达,旋转在一个方向由于一系列构象的变化。电子刺激引起光化学异构体分子在碳碳双键,以及螺旋反转。两个周期的这些几何变化给一个360°旋转电机的明轮运动类型。用四个轮子代替汽车和当他们是一致的自旋方向相同,分子推动本身在一条直线。

“整个政权分子运动的世界是完全不同的宏观世界,所以人们称之为nanocars一无所有与物理学的一辆车,”物理学家的评论院长Astumian缅因州大学的我们。”这就像当你看到夜空中,看到一个看起来像一只熊的星座:我们不会认为熊是有用的生物学了解星座的恒星移动相对于另一个,”他补充道。不管问题比较,毫无疑问,实现这种类型的分子定向是得不偿失的,特别是考虑到分子通常经常移动和随机。

这也是值得考虑的随机运动,允许分子机器功能。我们都知道,布朗运动不能作为能量的来源,因此热噪声不能提供能量来驱动定向运动,“Astumian解释道。但您可以使用噪音,汽车,工作,即使你提供能量,没有噪音不会工作”。事实上,没有热噪声macrocycle Stoddart开关无论如何都会留在原地的氧化还原状态,整个系统将成为无用的。利用布朗运动和收割因此实现所需的运动是关键时设计分子机器。

散步一个分子轨道

”而不是试图缩小工程概念从大的小世界,我似乎更好的尝试和学习生物处理工程机器,长度范围和应用这些概念使我们自己的分子机器,”利解释说。翻看生物学机械的目录来寻找灵感,李的团队设计了一个两条腿直线电机,它沿着一个轨道,³模仿的方式,直线电机降低细胞内蛋白质追踪执行任务。

沃克用酸碱化学、光化学异构化的组合从a到b的重力可以忽略分子世界,一只脚必须锁定到位,这样分子不飞离轨道。当一只脚固定下来,另一只脚必须能够进步,然后是化学必须改变锁第二脚迈出下一步。团队使用一只脚二硫键和腙键,这一个是活动锁在酸,另一是不稳定的,在基地,反之亦然;振动系统中的pH值然后允许分子轨道的走走。沃克的任何特定的方向有点棘手,这就是光化学进来——isomerising内置对称二苯代乙烯装置在跑道上引发环应变在电动机并建议在一个方向移动。

“我们希望能够携带分子追踪特定部位;例如,捡起反应构建块和带他们跟踪组装网站和构建一个分子,”李说。“想象你有支歌曲,这样你就可以选择分子——左跟踪到地方拿一个氨基酸,正确选择另一个。引入动态和空间处理不同的事情的可能性是非常有用的在分子水平上,我们不能做任何其他方式”。

他的团队最近采取措施实现,建立一个机械臂,可以捡起一个小分子摇摆在轴,并释放它2海里的地方开始。⁴他们使用相同的动态化学沃克二硫键引人入胜或释放货物,和一个腙连锁保护平台。操纵分子使用纳米机器人可能引发合成工厂化流水线的开始,通过分子链从一只手到另一个构建更大的结构,类似于酶构建脂肪酸。

泵了

斯托达特也喜欢大自然的纳米机器,和他的灵感从载体蛋白最近的一些工作。例如,把细菌视紫红质。它泵质子跨膜浓度梯度,一旦细胞内质子转化为化学能的转化二磷酸腺苷三磷酸腺苷。这些马达工作远离平衡的化学社区是一个巨大的挑战,”斯托达特说。我们几乎出生和长大在平衡动力学——这一切都达到平衡,结束它——但实际上整个基础生活是远离平衡工作,大力推进系统艰苦的。”

他的团队设计了一个rotaxane-based电机,泵大环的环到一个线程对一个浓度梯度,⁵建立系统的势能,原则上可以转化为有用的周边环境。随着能源消耗在分子水平上通常是通过热弛豫消散,例子中的人工机器存在如此高的能量状态是极其罕见的。

泵使用氧化还原化学刺激和运营使用棘轮机制类似于李的沃克,除了这一次静电相互作用是迫使重点一侧的关键。线程可以分为两个主要部分——紫罗碱单元,与macrocycle形成一个稳定的激进的复杂系统是减少时,收集链,重点的积累当系统氧化tetracationic环是排斥远离紫罗碱泵。带正电的紫罗碱联合效应的单元和一个相邻的吡啶组防止macrocycle dethreading当系统第一次氧化,和门停止任何戒指已经在收集回来的链三周周期时。

我们朝着能够把大量的环到聚合物链,导致耐划伤性的电影,”斯托达特说。如果你做了一个抓一个表面上的那种材料,很快聚合物来填补裂缝,大概是因为聚合物链的环上左右滑动。我们希望把聚合物化学进入新的领域的潜在应用。

让伤口

斯托达特不是唯一目标。尼古拉斯Giuseppone在法国斯特拉斯堡大学和他的同事们也一直在利用聚合物使高能材料。团队将旋转电机为一个纠缠聚合物网络,和他们的激活导致聚合物链的机械绕组。⁶这些汽车是由Feringa,但我们的方法是使用此基础上宏观规模生产有用的工作,“Giuseppone解释道。螺旋聚合物在每个电机的原因局部收缩,这是放大整个材料造成的整体收缩凝胶。第一次集体纳米尺寸运动的分子机器能够生产机械在厘米范围内工作。更重要的是,光能量消耗作为内部的弹性能量存储材料,和团队正致力于解除线圈使用这种能量。

我们在一个非常早期的一个非常陡峭的学习曲线

我们如何从分子世界,通过纳米介观,宏观当然是一个主要领域的发展,”斯托达特的评论。首先要做的是把分子机器为一个有序的环境,还有工作的整个过程成聚合物,这样机器重复n次。虽然Giuseppone的汽车肯定重复在聚合物,它们不是命令在两个或三个维度,要求如果分子开关或汽车进入计算的世界。

目标,领导的一个团队斯蒂芬·勒布在加拿大温莎大学建立了有机框架,集成了一个rotaxane在链接器,使航天飞机完全重复在一个三维晶格。⁷我们已经演示了基本的平移运动;下一步是能够控制运动的某种刺激,同样的人在解决方案,”勒布说。“我认为我们相当接近,难的是组织学习这些东西,这样他们就可以至少在固态——控制运动的路线图已经从化学解决方案。”

虽然科学家像斯托达特和Giuseppone确信人工机器将在宏观找到自己的工作,其他人则不然。“我的观点一直是更有趣的挑战与分子分子机器的任务,“Astumian说。分享这一观点,李和同事建立了一个核糖体模仿,可以与一个预先确定的序列肽,它可以说是最复杂的分子机器。⁸他们设计了一个rotaxane覆盖的不同部分,需要共同努力完成工作。线程宿主在所需的氨基酸顺序,及其macrocycle催化的手臂,幻灯片沿着轴,直到它被一种氨基酸。硫醇盐组在手臂然后拿起氨基酸和手交给一个伸长网站进一步的肢体。macrocycle然后沿着它直到它到达下一个氨基酸,同样的事情再度发生,直到没有左和环脱落。把一万亿年这些机器同时工作,他们生产出几十毫克的肽,只由一个序列。

这仍然是一个很简单的事情。比较它比我们无限的核糖体的分子是一个笑话,我们所能做的就是一些肽债券,而核糖体是15秒,”李说。”不过,核糖体大约有一百万原子和我们的有几百。所以我们可以模仿的东西绝对是巨大的和一个非常精简合成系统,在概念上和我们非常兴奋。

虽然分子机器是突飞猛进在过去的十年里,它仍然不清楚他们实际上可能是有用的。斯托达特并不太担心未来:我们在一个非常早期的一个非常陡峭的学习曲线。化学是基础科学,它需要一些空间的发展基础。这将是一个缓慢的过程,可能需要几十年发展领域一个阶段的应用于任何一天的技术,但突然起飞,人们将会看到所有的基本发展会导致什么。

李的确信该领域所需要的是一个杀手级应用。一旦你找到分子机器可以做的一件事,不能做任何其他方式,那么他们无疑成为一个有用的技术。生物在进化的过程中发现分子机器是最好的方式把事情做好。我相信这将是真正的人类。”

维多利亚•理查兹是一个基于科学作家在剑桥,英国