Молекулярная машина в нано-клетке

В сотрудничестве с международной командой Института фундаментальных наук в Южной Корее химики-теоретики доктор Чандан Дас и профессор Ларс Шефер из Рурского университета Бохума (RUB) сконструировали молекулярный гироскоп, которым можно дистанционно управлять с помощью света. Им также удалось описать вращательные движения этой синтетической наномашины с помощью компьютерного моделирования. Авторы описывают свои выводы в журнале Chem, опубликованном в Интернете 18 января 2022 года.


Навигация по самолетам и спутникам

Машины, заключенные в клетку или кожух, могут проявлять интересные свойства. Например, они могут преобразовывать свою энергию в запрограммированные функции. Механический гироскоп — одна из таких систем — интригующая игрушка, способная непрерывно вращаться. Некоторые практические применения гироскопов включают авиационные и спутниковые навигационные системы и беспроводные компьютерные мыши, и это лишь некоторые из них. «Помимо ротора, еще одним преимуществом гироскопов является их корпус, который выравнивает ротор в определенном направлении и защищает его от препятствий», — описывает Ларс Шефер.

На молекулярном уровне многие белки действуют как биологические наномашины. Они находятся в каждой биологической клетке и выполняют точные и запрограммированные действия или функции в замкнутой среде. Этими ми можно управлять с помощью внешних раздражителей. «В лаборатории синтез и характеристика таких сложных структур и функций в искусственной молекулярной системе представляет собой огромную проблему», — говорит Шефер.

Построен как корабль в бутылке

В сотрудничестве с группой под руководством профессора Кимуна Кима из Института фундаментальных наук в Пхохане, Южная Корея, исследователям удалось заключить надмолекулярный ротор в молекулу порфириновой клетки кубической формы. Как правило, установка готового ротора в такие клетки осложняется ограниченным размером окон клетки. Стремясь преодолеть эти ограничения, химики-синтетики в Южной Корее разработали новую стратегию, которая сначала представила линейную ось в клетке, которая затем была модифицирована боковым плечом для создания ротора. «Это напоминает строительство корабля в бутылке», — иллюстрирует Чандан Дас, который вместе с Ларсом Шефером выполнил компьютерное моделирование молекулярной динамики, чтобы описать вращательное движение ротора в клетке в атомарных деталях.

«Наши партнеры по сотрудничеству сделали интригующее наблюдение, что движение ротора в клетке может быть приведено в движение, а также снова выключено светом в качестве внешнего стимула, точно так же, как с помощью пульта дистанционного управления», — описывает Шефер. Исследователи добились этого, используя свет в ультрафиолетовом и видимом диапазонах, чтобы прикрепить светочувствительную молекулу к клетке снаружи и снова отсоединить ее.

Как движется молекулярный гироскоп

Но как это работает, и какие движения совершает молекулярный гироскоп после его включения таким образом? «Компьютерное моделирование методом молекулярной динамики показывает, что молекула ротора в клетке демонстрирует стохастическую динамику, характеризующуюся случайными 90-градусными прыжками бокового плеча ротора с одной стороны куба на соседнюю», — объясняет Чандан Дас результаты теоретического исследования. расчеты, которые, таким образом, могут пояснить спектроскопические наблюдения.