Luonnossa julkaistussa tutkimuksessa ranskalaiset ja englantilaiset kemistit osoittavat, kuinka hyvin yksinkertaiset keinotekoiset molekyylimoottorit pystyvät tuottamaan tällaista työtä katalysoimalla chiraalisen kemiallisen polttoaineen muuntamista. Tämä voi edistää pehmeää robotiikkaa ja aktiivista materiaalia.
Kuvituskuva Pixabay
Miten tietyt molekyylit voivat suorittaa järjestäytynyttä ja järjestelmällistä työtä kaaottisessa ympäristössä? Nesteeseen upotettujen molekyylien maailma on todellakin alttiina stokastiselle prosessille, jota kutsutaan Brownin liikkeeksi, joka kuvaa hiukkasten satunnaisia reittejä.
Reitin pakottaminen toisen sijasta ei ole helpompaa kuin liikkuminen syklonissa. Silti juuri tässä epäjärjestyksessä biologiset moottorit, monimutkaisista rakenteista koostuvat proteiinit, tuottavat täydellisesti määriteltyä mekaanista työtä.
Esimerkiksi myosiini-II on vastuussa lihassupistuksesta useimmilla eläimillä. Tätä varten tämä entsymaattista aktiivisuutta omaava proteiini muuntaa kemiallisen energian lähteen (adenosiinitrifosfaatti (ATP)) reaktiotuotteeksi (adenosiinidifosfaatti (ADP)).
Tämä muutos tapahtuu täydellisesti järjestäytyneiden liikkeiden ketjun myötä, mikä johtaa lihaskudoksen makroskooppiseen supistumiseen. Kuitenkin kemiallisen energian muuntamiseen liittyvää mekanismia ei ole vielä ratkaistu tieteellisessä yhteisössä.
Eurooppalaisen ITN-ArtMoMa-yhteistyöprojektin puitteissa Charles Sadron -instituutin (CNRS/Strasbourgin yliopisto/Ranskan yliopisto) ja Manchesterin yliopiston kemistit ovat onnistuneet vastaamaan tähän kysymykseen käyttämällä minimaalista kemiallista järjestelmää. He yhdistivät pieniä pyöriviä moottoreita (1000 kertaa pienempiä kuin myosiini-II) polymeeriverkkoon muodostaakseen aktiivisen hydrogeelin.
Käytetyt molekyylimoottorit koostuvat staattisesta osasta (stator) ja liikkuvasta osasta (roottori). Kun kemiallista polttoainetta lisätään, moottori katalysoi polttoaineen muuntamista reaktiotuotteeksi, mikä saa roottorin pyörimään järjestäytyneiden konformaatiomuutosten kautta.
Kemiallisesti polymeeriketjuihin kiinnitetty roottori saa puolestaan aikaan materiaalin supistumisen tai laajenemisen sen mukaan, pyöriikö se yhteen suuntaan vai toiseen. Tämä pyörimissuunnan etu, joka siirtyy polymeeriverkkoon, määräytyy polttoaineen chiraalisuuden mukaan. Polttoaineen enantiomeerisen ylijäämän mukaan hydrogeelin makroskooppinen supistuminen tai laajeneminen havaitaan.
Mittaamalla hydrogeelimateriaalin ominaisuuksien muutoksia tutkijat pystyivät myös määrittämään moottorin tuottaman voiman ja sen energiatehokkuuden.
Tämä erittäin yksinkertainen järjestelmä osoittaa, kuinka katalysaattori pystyy muuntamaan kemiallisen energian lähteen hallituiksi liikkeiksi aina makroskooppiselle tasolle saakka vaikuttamalla reaktioiden nopeusvakioiden epäsymmetriaan, jotka liittyvät katalyyttiseen sykliin.
Tämä tutkimus, joka julkaistiin lehdessä Nature, korostaa keinotekoisten molekyylimoottorien potentiaalia selittää yhden elämän suurista toimintaperiaatteista. Se voisi myös inspiroida uusien aktiivisten elementtien suunnittelua materiaalitieteiden ja nanoteknologian alalla.
Viite:
Kemiallisen energian muuntaminen katalyysin kautta keinotekoisen molekyylimoottorin avulla
Peng-Lai Wang, Stefan Borsley, Martin J. Power, Alessandro Cavasso, Nicolas Giuseppone & David Leigh.
Nature 2024
https://doi.org/10.1038/s41586-024-08288-x