Автор: AZoNano Июль 24 2019

Молекулы обычно синтезируются с использованием стохастических образующих связь столкновений молекул реагентов, присутствующих в растворе, но природа следует совершенно другому методу в биохимическом синтезе.

Белковые комплексы машинного типа управляют большинством биохимических реакций. Реактивные молекулы связаны и расположены этими белковыми комплексами для селективных превращений.

Исследователи предложили искусственные «молекулярные ассемблеры», выполняющие «механосинтез» в качестве нового примера в нанотехнологиях и химии. Теперь группа химиков из Кильского университета (Германия) разработала первый искусственный ассемблер, который использует свет в качестве источника энергии и выполняет синтез.

Новая система объединяет точное позиционирование, селективное связывание реагентов и активное высвобождение продукта. Исследователи опубликовали результаты своих исследований в журнале Communications Chemistry .

Молекулярные ассемблеры способны создавать молекулы. К. Эрик Дрекслер уже предложил концепцию молекулярных ассемблеров в 1986 году, основываясь на понятиях Ричарда Фейнмана, Нобелевского лауреата по физике.

В своей книге под названием «Двигатели творчества: грядущая эра нанотехнологий» и последующих публикациях Дрекслер предлагает молекулярные машины, способные позиционировать реактивные молекулы с атомной точностью, а также предлагает, как создавать большие и более совершенные структуры посредством механосинтеза.

Если этот молекулярный нанобот способен конструировать молекулы любого типа, то он, безусловно, может создать другую копию себя, то есть самовоспроизводиться. Такие образные видения не только вдохновили нескольких авторов научной фантастики, но также вызвали интенсивные научные дебаты.

Проблема «липких пальцев»

В 2003 г. дебаты завершились публикацией в «Chemical & Engineering News» с главным вопросом: « Возможны ли молекулярные ассемблеры – устройства, способные позиционировать атомы и молекулы для точно определенных реакций? »

Здесь Ричард Смолли, лауреат Нобелевской премии, высказал два основных возражения – проблема «липких пальцев» и «толстых пальцев»: чтобы захватить и направить каждый отдельный атом, ассемблер должен иметь несколько нано-пальцев , Смолли обсудил, что в зоне реакции размером в нанометр недостаточно места, чтобы удержать пальцы всех манипуляторов, необходимые для достижения полного контроля над химией.

Проблема «липкого пальца» возникает из-за того, что атомы рук манипулятора будут связываться с атомом, который перемещается. Это означает, что обычно невозможно разгрузить строительный блок в нужном месте. Смолли заключил, что проблемы с жиром и липкими пальцами важны и не могут быть предотвращены.

Напротив, природа имеет различные примеры молекулярных ассемблеров, например, АТФ-синтаза, поликетидсинтаза, нерибосомные пептидсинтетазы и рибосома.

С точки зрения молекулярных ассемблеров мы можем утверждать, что если природа использует молекулярные ассемблеры для синтеза, химики должны – по крайней мере в принципе – иметь возможность создавать и эксплуатировать искусственных ассемблеров в лаборатории.

Райнер Хергес, профессор кафедры органической химии, Кильский университет

Хергес является представителем Центра совместных исследований 677 «Функция посредством переключения» в Кильском университете.

Вместе со своей командой Хергес разработал первый в мире искусственный ассемблер, использующий свет в качестве источника энергии. Наблюдая за природными молекулярными ассемблерами, исследователи попытались методично снизить их сложность и изощренность до уровня, достижимого с помощью синтетической химии. Не рибосомальные пептид-синтетазы и синтез АТФ из фосфата и АДФ служили моделями.

Фотопереключаемый лиганд направляет реакцию

Они захватывают реагенты, четыре иона ванадата, сближая их и объединяя в кольца. Когда реагенты размещены, они направляются через определенный канал реакции с помощью фотопереключаемого лиганда, и создается молекула, которой нет в исходном растворе.

Продукт также высвобождается посредством фотохимического переключения лиганда в не связывающее состояние. Это помогает в решении проблемы «липкого пальца». В качестве внешнего источника энергии исследователи выбрали ультрафиолетовый свет, потому что он прост в применении и не создает никаких навязчивых побочных продуктов в отличие от химических источников энергии.

Аналогичные молекулярные машины, такие как ассемблеры, которые конденсируют аминокислоты в белки, могут активировать изменение парадигмы в химическом синтезе. Очевидные преимущества включают энантиоселективность, меньшее количество побочных продуктов и более короткие пути синтеза, потому что молекулы с помощью механосинтеза выталкиваются в заранее определенные реакционные каналы.

Кроме того, кольцевой продукт имеет более высокую энергию в качестве исходного материала. Другими словами, световая энергия преобразуется в химическую энергию. Хотя механосинтез с искусственными молекулярными ассемблерами чрезвычайно сложен, его стоит исследовать и он может предоставить новый способ преобразования световой энергии .

Райнер Хергес, профессор кафедры органической химии, Кильский университет

Работа была поддержана Немецким исследовательским фондом (DFG) через SFB 677.

Источник: http://www.uni-kiel.de/en/