Molekulare Maschine - Molecular machine

Eine molekulare Maschine , Nanit oder Nanomaschine ist eine molekulare Komponente, die als Reaktion auf spezifische Reize (Input) quasi-mechanische Bewegungen (Ausgabe) erzeugt. In der Zellbiologie , makromolekulare Maschinen führen häufig Aufgaben für das Leben wesentlich, wie die DNA - Replikation und die ATP - Synthese . Der Ausdruck wird oft allgemeiner auf Moleküle angewendet, die einfach Funktionen nachahmen, die auf makroskopischer Ebene auftreten. Der Begriff ist auch in der Nanotechnologie gebräuchlich, wo eine Reihe hochkomplexer molekularer Maschinen vorgeschlagen wurden, die darauf abzielen, einen molekularen Assembler aufzubauen .

Kinesin, das auf einem Mikrotubulus läuft, ist eine molekularbiologische Maschine , die die Dynamik von Proteindomänen auf Nanoskalen nutzt

In den letzten Jahrzehnten haben Chemiker und Physiker gleichermaßen mit unterschiedlichem Erfolg versucht, Maschinen aus der makroskopischen Welt zu miniaturisieren. Molekulare Maschinen stehen an der Spitze der zellbiologischen Forschung. Der Nobelpreis für Chemie 2016 ging an Jean-Pierre Sauvage , Sir J. Fraser Stoddart und Bernard L. Feringa für das Design und die Synthese molekularer Maschinen.

Typen

Molekulare Maschinen können in zwei große Kategorien eingeteilt werden; künstlich und biologisch. Im Allgemeinen beziehen sich künstliche molekulare Maschinen (AMMs) auf Moleküle, die künstlich entworfen und synthetisiert wurden, während biologische molekulare Maschinen häufig in der Natur zu finden sind und sich nach der Abiogenese auf der Erde in ihre Formen entwickelt haben .

Künstlich

Chemiker haben eine Vielzahl künstlicher molekularer Maschinen (AMMs) synthetisiert, die im Vergleich zu biologischen molekularen Maschinen eher einfach und klein sind. Das erste AMM, ein molekulares Shuttle , wurde von Sir J. Fraser Stoddart synthetisiert . Ein molekulares Shuttle ist ein Rotaxanmolekül , bei dem ein Ring mit zwei sperrigen Stoppern mechanisch an einer Achse befestigt ist. Der Ring kann sich mit verschiedenen Stimuli wie Licht, pH, Lösungsmittel und Ionen zwischen zwei Bindungsstellen bewegen. Wie die Autoren dieses JACS- Papiers von 1991 feststellten: "Soweit es möglich wird, die Bewegung einer molekularen Komponente in Bezug auf die andere in einem [2]Rotaxan zu kontrollieren, wird die Technologie zum Bau molekularer Maschinen entstehen", mechanisch verzahnte molekulare Architekturen an der Spitze von AMM-Design und -Synthese, da sie eine gerichtete molekulare Bewegung ermöglichen. Heutzutage existiert eine Vielzahl von AMMs, wie unten aufgeführt.

Überfüllter molekularer Alkanmotor.

Molekulare Motoren

Molekulare Motoren sind Moleküle, die eine gerichtete Drehbewegung um eine Einfach- oder Doppelbindung ausführen können. Einfachbindungs-Rotationsmotoren werden im Allgemeinen durch chemische Reaktionen aktiviert, während Doppelbindungs-Rotationsmotoren im Allgemeinen durch Licht angetrieben werden. Die Rotationsgeschwindigkeit des Motors kann auch durch sorgfältiges molekulares Design abgestimmt werden. Es wurden auch Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Nanomotoren hergestellt.

Molekularer Propeller

Ein molekularer Propeller ist ein Molekül, das aufgrund seiner speziellen Form, die in Analogie zu makroskopischen Propellern aufgebaut ist, bei Rotation Flüssigkeiten antreiben kann. Es hat mehrere molekulare Klingen, die in einem bestimmten Steigungswinkel um den Umfang einer nanoskaligen Welle angebracht sind. Siehe auch Molekulargyroskop .

Daisy Chain [2]Rotaxan. Diese Moleküle gelten als Bausteine ​​für künstliche Muskeln.

Molekularer Schalter

Ein molekularer Schalter ist ein Molekül, das reversibel zwischen zwei oder mehr stabilen Zuständen verschoben werden kann. Die Moleküle können als Reaktion auf Änderungen des pH-Werts, des Lichts ( Photoschalter ), der Temperatur, eines elektrischen Stroms, der Mikroumgebung oder der Anwesenheit eines Liganden zwischen den Zuständen verschoben werden.

Molekulares Shuttle auf Rotaxan-Basis.

Molekularer Shuttle

Ein molekulares Shuttle ist ein Molekül, das Moleküle oder Ionen von einem Ort zum anderen transportieren kann. Ein übliches molekulares Shuttle besteht aus einem Rotaxan, in dem sich der Makrocyclus zwischen zwei Stellen oder Stationen entlang des Hantelrückgrats bewegen kann.

Nanoauto

Nanoautos sind Einzelmolekül-Vehikel, die makroskopischen Autos ähneln und wichtig für das Verständnis der Kontrolle der molekularen Diffusion auf Oberflächen sind. Die ersten Nanocars wurden 2005 von James M. Tour synthetisiert . Sie hatten ein H-förmiges Chassis und 4 molekulare Räder ( Fullerene ), die an den vier Ecken befestigt waren. 2011 synthetisierten Ben Feringa und Mitarbeiter das erste motorisierte Nanoauto, bei dem molekulare Motoren als rotierende Räder am Chassis befestigt waren. Die Autoren konnten die gerichtete Bewegung des Nanocars auf einer Kupferoberfläche demonstrieren, indem sie Energie aus einer Rastertunnelmikroskopspitze lieferten. Später, im Jahr 2017, fand in Toulouse das weltweit erste Nanocar-Rennen statt .

Molekulares Gleichgewicht

Ein molekulares Gleichgewicht ist ein Molekül, das als Reaktion auf die Dynamik mehrerer intra- und intermolekularer Triebkräfte, wie Wasserstoffbrückenbindungen , solvophob /hydrophobe Effekte, π-Wechselwirkungen sowie sterische und Dispersionswechselwirkungen, zwischen zwei und mehr Konformations- oder Konfigurationszuständen ineinander umwandeln kann. Molekulare Bilanzen können kleine Moleküle oder Makromoleküle wie Proteine ​​sein. Kooperativ gefaltete Proteine ​​wurden beispielsweise als molekulare Gleichgewichte verwendet, um Wechselwirkungsenergien und Konformationseigenschaften zu messen.

Molekulare Pinzette

Molekulare Pinzetten sind Wirtsmoleküle, die Gegenstände zwischen ihren beiden Armen halten können. Der offene Hohlraum der molekularen Pinzette bindet Gegenstände durch nicht-kovalente Bindungen, einschließlich Wasserstoffbrückenbindung, Metallkoordination, hydrophobe Kräfte, Van-der-Waals-Kräfte , π-Wechselwirkungen oder elektrostatische Effekte. Es wurde über Beispiele für molekulare Pinzetten berichtet, die aus DNA konstruiert sind und als DNA-Maschinen gelten .

Molekularer Sensor

Ein molekularer Sensor ist ein Molekül, das mit einem Analyten interagiert, um eine nachweisbare Veränderung zu erzeugen. Molekulare Sensoren kombinieren molekulare Erkennung mit einer Form von Reporter, sodass das Vorhandensein des Elements beobachtet werden kann.

Molekulares Logikgatter

Ein molekulares Logikgatter ist ein Molekül, das eine logische Operation an einem oder mehreren Logikeingängen durchführt und einen einzelnen Logikausgang erzeugt. Im Gegensatz zu einem molekularen Sensor gibt das molekulare Logikgatter nur dann eine Ausgabe aus, wenn eine bestimmte Kombination von Eingängen vorhanden ist.

Molekularer Assembler

Ein molekularer Assembler ist eine molekulare Maschine, die chemische Reaktionen durch präzise Positionierung reaktiver Moleküle steuern kann.

Molekulares Scharnier

Ein molekulares Scharnier ist ein Molekül, das reversibel selektiv von einer Konfiguration in eine andere geschaltet werden kann. Solche Konfigurationen müssen unterscheidbare Geometrien aufweisen; beispielsweise Azobenzol - Gruppen in einem Molekül kann linear durchlaufen cis - trans - Isomerisierungen , wenn sie mit ultraviolettem Licht bestrahlt wird , einen reversiblen Übergang zu einem gebogenen oder V-förmige Konformation auslöst. Molecular Scharniere rotieren typischerweise in einer Kurbel -ähnlichen Bewegung um eine starre Achse, wie beispielsweise eine Doppelbindung oder aromatischen Ring. Allerdings makrocyclischen Molekular Scharniere mit mehr Klemm -ähnlichen Mechanismen wurden auch synthetisiert worden.

Biologisch

Ein Ribosom, das die Elongations- und Membran-Targeting-Stufen der Proteintranslation durchführt . Das Ribosom ist grün und gelb, die tRNAs sind dunkelblau und die anderen beteiligten Proteine ​​sind hellblau. Das produzierte Peptid wird in das endoplasmatische Retikulum freigesetzt .

Die komplexesten makromolekularen Maschinen finden sich in Zellen, oft in Form von Multi-Protein-Komplexen . Wichtige Beispiele für biologische Maschinen sind Motorproteine wie Myosin , das für die Muskelkontraktion verantwortlich ist , Kinesin , das Ladung in den Zellen entlang von Mikrotubuli vom Zellkern wegbewegt , und Dynein , das Ladung innerhalb der Zellen zum Zellkern bewegt und das axonemale Schlagen von bewegliche Zilien und Geißeln . „[I]n-Effekt ist das [bewegliche Zilien] eine Nanomaschine, die aus vielleicht über 600 Proteinen in molekularen Komplexen besteht, von denen viele auch unabhängig als Nanomaschinen fungieren … Flexible Linker ermöglichen es den durch sie verbundenen mobilen Proteindomänen , ihre Bindung zu rekrutieren Partner und induzieren weitreichende Allosterie über die Dynamik der Proteindomäne . Andere biologische Maschinen sind für die Energieproduktion verantwortlich, zum Beispiel die ATP-Synthase, die Energie aus Protonengradienten über Membranen nutzt , um eine turbinenartige Bewegung anzutreiben, die zur Synthese von ATP , der Energiewährung einer Zelle, verwendet wird. Noch andere Maschinen sind für die Genexpression verantwortlich , darunter DNA-Polymerasen für die DNA-Replikation, RNA-Polymerasen für die Herstellung von mRNA , das Spleißosom für die Entfernung von Introns und das Ribosom für die Proteinsynthese . Diese Maschinen und ihre nanoskalige Dynamik sind weitaus komplexer als alle bisher künstlich konstruierten molekularen Maschinen.

Einige biologische molekulare Maschinen

Diese biologischen Maschinen könnten in der Nanomedizin Anwendung finden . Sie könnten beispielsweise verwendet werden, um Krebszellen zu identifizieren und zu zerstören. Molekulare Nanotechnologie ist ein spekulatives Teilgebiet der Nanotechnologie bezüglich der Möglichkeit, molekulare Assembler zu entwickeln , biologische Maschinen, die Materie auf molekularer oder atomarer Ebene neu ordnen könnten. Die Nanomedizin würde diese in den Körper eingeführten Nanoroboter nutzen , um Schäden und Infektionen zu reparieren oder zu erkennen. Molekulare Nanotechnologie ist hochgradig theoretisch und versucht zu antizipieren, welche Erfindungen die Nanotechnologie hervorbringen könnte, und eine Agenda für zukünftige Untersuchungen vorzuschlagen. Die vorgeschlagenen Elemente der molekularen Nanotechnologie, wie molekulare Assembler und Nanoroboter, gehen weit über die derzeitigen Möglichkeiten hinaus.

Forschung

Der Bau komplexerer molekularer Maschinen ist ein aktives Gebiet der theoretischen und experimentellen Forschung. Eine Reihe von Molekülen, wie beispielsweise molekulare Propeller, wurden entwickelt, obwohl experimentelle Studien dieser Moleküle durch das Fehlen von Methoden zur Konstruktion dieser Moleküle verhindert werden. In diesem Zusammenhang kann die theoretische Modellierung äußerst nützlich sein, um die Selbstorganisations-/Zerlegungsprozesse von Rotaxanen zu verstehen, die für den Bau lichtbetriebener molekularer Maschinen wichtig sind. Dieses Wissen auf molekularer Ebene kann die Realisierung immer komplexerer, vielseitigerer und effektiverer molekularer Maschinen für die Bereiche der Nanotechnologie, einschließlich molekularer Assembler, fördern.

Obwohl derzeit nicht machbar, sind einige potenzielle Anwendungen molekularer Maschinen der Transport auf molekularer Ebene, die Manipulation von Nanostrukturen und chemischen Systemen, die Informationsverarbeitung im Festkörper mit hoher Dichte und molekulare Prothetik. Bevor molekulare Maschinen praktisch eingesetzt werden können, sind viele grundlegende Herausforderungen zu bewältigen, wie etwa autonomer Betrieb, Komplexität der Maschinen, Stabilität in der Synthese der Maschinen und die Arbeitsbedingungen.

Verweise