Тема:

Химия 19 суток назад

Биоинженеры создали полностью искусственный молекулярный насос

Схема первого искусственного молекулярного насоса
(иллюстрация Northwestern University).

Учёные из Северо-западного университета США создали первый полностью искусственный молекулярный насос. Биоинженеры получили его путём проб и ошибок в ходе химического конструирования. Авторы разработки утверждают, что их детище может использоваться для приведения в движение искусственных мышц (примеры таких "Вести.Наука" www.nauka.vesti.ru приводили уже не раз) или любых других молекулярных механизмов.

"Наш полностью искусственный насос переносит энергию между молекулами в живых клетках точно так же, как это происходит в природе", — рассказывает руководитель исследования Фрейзер Стоддарт (Fraser Stoddart).

Насос использует малые молекулы, созданные в лаборатории. Первоначальную энергию "машина" черпает из химических реакций и направляет её на выведение молекул из состояния термодинамического равновесия: в результате частицы переходят от низкоэнергетического к высокоэнергетическому состоянию.

Устройство построено на молекуле-ротаксане, которая уже была использована для создания молекулярных машин. У этой молекулы имеется линейная ось "с препятствиями", которая способна ограничивать движения надетой на неё кольцеобразной молекулы. Химическая структура оси такова, что молекулы-кольца могут двигаться по ней в одном направлении. Продвигает кольца сложный механизм, который основан на работе двух односторонних "клапанов".

Такой молекулярный механизм содержит несколько компонентов. Первый представляет собой положительно заряженный блок пиридина, который выступает в роли первого одностороннего клапана. Второй — блок виологена (viologen) — действует в качестве собственно насоса. Третий компонент — это громоздкая группа изопропилфенилов, которая функционирует как второй односторонний клапан.

Химические реакции приводят насос в действие и заставляет молекулы пересекать энергетический барьер (иллюстрация Northwestern University).

Последним, четвёртым, компонентом является алкильная цепь, которая выступает в роли наконечника. Эта цепь содержит на своём конце химическую группу, не дающую молекулам соскочить с оси.

Учёные, по сути, пошли против естественных природных механизмов и попытались как бы прижать друг к другу два магнита на молекулярном уровне (все со школы знают, что сделать это почти невозможно).

"Кольцеобразные молекулы отталкиваются друг от друга, как магниты с одинаковыми полюсами. Поэтому насос использует дополнительную энергию, чтобы заставить такие молекулы почти прижаться друг к другу", — рассказывает ведущий автор исследования аспирант Чуян Чэн (Chuyang Cheng). Он создал первый прототип молекулярного насоса ещё два года назад, однако всё это время искал идеальную химическую структуру. Сегодня его "машина" может свести два кольца на расстояние нескольких нанометров друг от друга.

На данный момент молекулярный насос способен прижать друг к другу только две кольцевые молекулы, но в будущем он сможет работать с десятками таких частиц и запасать больше энергии, утверждают учёные в пресс-релизе.

По сравнению с естественными процессами, протекающими в живых организмах, данная технология примитивна. Но при определённых модификациях и усовершенствованиях подобная "машина" может создавать в неравновесной системе энергию, которую затем можно будет использовать для приведения в движение искусственных мышц и других молекулярных механизмов.

Полные результаты исследования были описаны учёными в статье, опубликованной в журнале Nature Nanotechnology.

В анимации ниже показано, как и за счёт каких процессов и реакций две кольцеобразных молекулы одеваются на ось и удерживаются вместе на небольшом расстоянии.

Сегодня