Нанобот - без дебели, лепкави пръсти
Роботи с молекулни размери - тази визия може да се използва за транспортиране на активни вещества, възстановяване на клетки или производство на други молекули. В Christian-Albrechts-Universität zu Kiel изследователите сега са разработили един вид молекулярна машина, която е преодоляла общото препятствие в тази бъдеща технология: Тя няма дебели, лепкави пръсти.
Кил - Идеята за молекулярните машини отдавна се обсъжда в нанонауките: химически съединения, създадени от човека, които могат да извършват механична работа. Такива „нанороботи“ могат например да транспортират лекарствени вещества, да възстановяват дефектни клетки или да измерват температурите в тялото, които показват възпаление.
Наноботите и техният "проблем с пръстите"
Още през 80-те години на миналия век американският инженер Ким Ерик Дрекслер е имал предвид идеята за молекулярни машини като така наречените асемблери: Те трябва да могат да схващат и точно поставят отделни атоми, за да изграждат сложни молекулярни структури. В крайна сметка Дрекслер каза, че ще могат да се възпроизвеждат.
Тази визия беше началото на интензивен научен спор: Противниците, които не смятаха изграждането на такива нанороботи от молекули за възможно, изтъкнаха по същество два аргумента, които се посочват в изследванията като проблеми на „дебелите и лепкави пръсти“. Според това асемблерът би трябвало да има безброй „пръсти“ върху наномащаб, за да може да захване и разположи различните атоми - но просто няма място за това. Основната пречка за такива „конструктори на молекули“ обаче е трудността, известна като „лепкави пръсти“, да могат да пуснат атомите, след като бъдат хванати и да ги оставят.
Природата ни показва как
Резултатите от изследванията през последните години обаче предполагат, че разработването на такива асемблери по принцип е възможно. Райнер Хергес, професор по органична химия в Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU), също е убеден в това. „В края на краищата такива молекулни асемблери вече съществуват в природата, например под формата на рибозоми, които произвеждат протеини в клетките или за синтеза на АТФ, аденозин трифосфат. Принципът на тези процеси на биохимичен синтез трябва да може да бъде симулиран изкуствено в лабораторията “, казва Хергес.
Хергес и неговият изследователски екип сега са направили важна стъпка в посока на такива нанороботи: Те са произвели молекула, която взема отделни градивни блокове и ги използва, за да събере малки пръстени. Този изкуствен асемблер се задвижва от UV светлина.
UV светлина като задвижване и контрол
За да реализират асемблера, учените намаляват сложността на биологичните процеси, докато не могат да бъдат приложени с методи на синтетична химия. Когато тестваха функцията на „Nanobot“, те доведоха реакционните партньори, четири ванадатни йона, в непосредствена близост един до друг. Използвайки асемблерна молекула, която може да се контролира от ултравиолетовата светлина, те след това задействат реакционен процес, при който се образува нова молекула чрез свързване на четирите ванадатни градивни блока, за да образуват пръстен.
Изследователите също успяха да разрешат „проблема с лепкавите пръсти“ с UV светлина: облъчена със светлина с дължина на вълната 365 нанометра, външната форма на молекулата на асемблера се променя. След това краищата му се притискат като чифт клещи, пространството вътре става твърде малко и новата молекула се освобождава. Използването на UV светлина за контрол и като външен източник на енергия също има предимството, че е лесен за използване и - за разлика от химическата енергия - не произвежда нежелани странични продукти.
Визия: преобразуване на светлината в химическа енергия с наноботове
Подобни функциониращи молекулярни машини, които преобразуват аминокиселините в протеини, например, биха могли да предизвикат промяна на парадигмата в методите за химичен синтез с по-малко странични продукти и по-кратки процеси на синтез, казва Хергес. Екипът на Кил също подчертава, че енергията на получената молекула е по-висока от тази на изходните материали. „Дори производството им да е предизвикателство, молекулярните асемблери в дългосрочен план биха могли да бъдат нов начин за превръщане на светлинната енергия в химическа енергия“, подчертава Хергес значението.
Оригинална публикация: Hanno Sell, Anika Gehl, Daniel Plaul, Frank D. Sönnichsen, Christian Schütt, Felix Köhler, Kim Steinborn & Rainer Herges: Към лек задвижван молекулярен асемблер, Communications Chemistry том 2, Артикулен номер: 62 (2019); DOI: 10.1038/s42004-019-0163-y
* J. Siekmann, Christian-Albrechts-Universität zu Kiel, 24118 Kiel
Технология за съхранение на бъдещето
Магнитни нано вихри - стабилни за първи път без помощ
Превключващи се молекули, разработени за спинтроника
Молекулен калкулатор?
Този уебсайт е търговска марка на Vogel Communications Group. Можете да намерите преглед на всички продукти и услуги на www.vogel.de