Interested Article - Молекулярная машина

doriana
  • 2021-06-26
  • 2

Кинезин, идущий по микротрубочке - это молекулярно-биологическая машина, использующая динамику белковых доменов на наномасштабе.

Молекулярная машина , нанит или наномашина – это молекулярный компонент, который производит квази-механические движения (выход) в ответ на определенные стимулы (вход) . В клеточной биологии макромолекулярные машины часто выполняют жизненно важные задачи, такие как репликация ДНК и синтез АТФ . Выражение чаще всего применяется к молекулам, которые просто имитируют функции, происходящие на макроскопическом уровне. Этот термин также распространен в нанотехнологиях, где был предложен ряд очень сложных молекулярных машин, нацеленных на создание молекулярного ассемблера .

В течение последних нескольких десятилетий химики и физики с разной степенью успеха пытались миниатюризировать машины, существующие в макроскопическом мире. Молекулярные машины находятся в авангарде исследований клеточной биологии. Нобелевская премия по химии 2016 г. была присуждена Жан-Пьеру Соважу , сэру Дж. Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Л. Феринге за разработку и синтез молекулярных машин .

Типы

Молекулярные машины можно разделить на две большие категории; искусственные и биологические. Искусственные молекулярные машины (АММ) относятся к молекулам, которые искусственно созданы и синтезированы, тогда как биологические молекулярные машины обычно встречаются в природе и эволюционировали в свои формы после абиогенеза на Земле .

Искусственные молекулярные машины

Химики синтезировали большое количество искусственных молекулярных машин (АММ), которые довольно просты и малы по сравнению с биологическими молекулярными машинами . Первый молекулярный челнок AMM был синтезирован сэром Дж. Фрейзером Стоддартом . Молекулярный челнок – это молекула ротаксана , в которой кольцо механически заблокировано на оси двумя громоздкими стопорами. Кольцо может перемещаться между двумя сайтами связывания с различными стимулами, такими как свет, pH, растворители и ионы .

Авторы 1991 года отмечали: «Поскольку становится возможным управлять движением одного молекулярного компонента по отношению к другому в ротаксане, появится технология для создания молекулярных машин». Механически взаимосвязанные молекулярные архитектуры возглавили разработку и синтез AMM, поскольку они обеспечивают направленное движение молекул . Сегодня существует большое количество AMM, перечисленных ниже.

Переполненный алкановый молекулярный мотор.

Молекулярные двигатели

Молекулярные двигатели – это молекулы, которые способны к направленному вращательному движению вокруг одинарной или двойной связи . Роторные двигатели с одинарной связью обычно активируются химическими реакциями, тогда как роторные двигатели с двойной связью обычно работают от света. Скорость вращения двигателя также можно настроить с помощью тщательного молекулярного дизайна . Также были произведены наномоторы из углеродных нанотрубок .

Молекулярный пропеллер

Молекулярный пропеллер – это молекула, которая может толкать жидкости при вращении благодаря своей особой форме, которая разработана по аналогии с макроскопическими пропеллерами . У него есть несколько лезвий молекулярного масштаба, прикрепленных под определенным углом наклона по окружности наноразмерного вала. См. Также .

Шлейфовая цепь ротаксана. Эти молекулы считаются строительными блоками для искусственных мышц.

Молекулярный переключатель

Молекулярный переключатель – это молекула, которая может обратимо перемещаться между двумя или более стабильными состояниями . Молекулы могут переключаться между состояниями в ответ на изменения pH, света (фотопереключатель), температуры, электрического тока, микросреды или присутствия лиганда .

Молекулярный челнок на основе ротаксана.

Молекулярный челнок

– это молекула, способная перемещать молекулы или ионы из одного места в другое . Обычный молекулярный челнок состоит из ротаксана, макроцикл которого может перемещаться между двумя участками вдоль оси "гантели" .

Наномобиль(нанокар)

Нанокары – это одномолекулярные транспортные средства, которые напоминают макроскопические автомобили и важны для понимания того, как контролировать молекулярную диффузию на поверхностях. Первые наномобили были синтезированы Джеймсом М. Туром в 2005 году. У них было H-образное шасси и 4 молекулярных колеса ( фуллерена ), прикрепленных к четырем углам . В 2011 году Бен Феринга и его сотрудники синтезировали первый моторизованный нанокар с молекулярными двигателями, прикрепленными к шасси в качестве вращающихся колес . Авторам удалось продемонстрировать направленное движение наномобиля по поверхности меди, подавая энергию от острия сканирующего туннельного микроскопа. Позже, в 2017 году, в Тулузе прошла первая в мире гонка на нанокарах.

Молекулярные весы

Молекулярные весы – это молекула, которая может взаимодействовать между двумя и более конформационными или конфигурационными состояниями в ответ на динамику множества внутри- и межмолекулярных движущих сил, таких как водородные связи , сольвофобные / гидрофобные эффекты , стерические и дисперсионные взаимодействия . Молекулярные весы могут состоять из небольших молекул или макромолекул, таких как белки. Кооперативно свернутые белки, например, использовались в качестве молекулярных весов для измерения энергии взаимодействия и конформационных склонностей .

Молекулярный пинцет

Молекулярный пинцет – это молекула-хозяин, способная удерживать предметы между двумя "руками" . Открытая полость молекулярного пинцета связывает предметы с помощью нековалентных связей, включая водородные связи, координацию металлов, гидрофобные силы, силы Ван-дер-Ваальса , π-взаимодействия или электростатические эффекты . Сообщалось о примерах молекулярных пинцетов, которые сконструированы из ДНК и считаются ДНК-машинами .

Молекулярный сенсор

– это молекула, которая взаимодействует с анализируемым веществом, вызывая обнаруживаемые изменения . Молекулярные сенсоры сочетают молекулярное распознавание с некоторой формой репортера, поэтому присутствие объекта можно наблюдать.

Молекулярный логический шлюз

Молекулярный логический шлюз – это молекула, которая выполняет логическую операцию на одном или нескольких логических входах и производит единственный логический выход . В отличие от молекулярного датчика, молекулярный логический шлюз будет выводить данные только при наличии определенной комбинации входов.

Молекулярный ассемблер

Молекулярный ассемблер – это молекулярная машина, способная управлять химическими реакциями , точно позиционируя реактивные молекулы .

Молекулярный шарнир

Молекулярный шарнир – это молекула, которую можно выборочно переключать с одной конфигурации на другую обратимым образом . Такие конфигурации должны иметь различимую геометрию; например, азобензольные группы в линейной молекуле могут подвергаться цис- транс- изомеризации при облучении ультрафиолетовым светом, вызывая обратимый переход к изогнутой или V-образной конформации . Молекулярные шарниры обычно вращаются кривошипно вокруг жесткой оси, такой как двойная связь или ароматическое кольцо . Однако также были синтезированы макроциклические молекулярные шарниры с механизмами, более похожими на зажим .

Биологические молекулярные машины

Рибосома, выполняющая этапы удлинения и нацеливания на мембрану . Рибосома зеленая и желтая, тРНК темно-синего цвета, а другие задействованные белки светло-голубые. Полученный пептид попадает в эндоплазматический ретикулум .

Самые сложные макромолекулярные механизмы находятся внутри клеток, часто в форме мультибелковых комплексов . Важные примеры биологических машин включают моторные белки, такие как миозин , который отвечает за сокращение мышц , кинезин , который перемещает грузы внутри клеток от ядра по микротрубочкам , и динеин , который перемещает грузы внутри клеток к ядру и вызывает биение аксонемы подвижные реснички и жгутики . В результате подвижная ресничка представляет собой наномашину, состоящую из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины. Гибкие линкеры позволяют соединенным ими мобильным белковым доменам привлекать своих партнеров по связыванию и вызывать дальнодействующую аллостерию через динамику белковых доменов . За производство энергии отвечают другие биологические машины, например АТФ-синтаза, которая использует энергию протонных градиентов через мембраны, чтобы управлять турбиноподобным движением, используемым для синтеза АТФ , энергетической валюты клетки . Другие машины отвечают за экспрессию генов , включая ДНК-полимеразы для репликации ДНК, РНК-полимеразы для производства мРНК , сплайсосомы для удаления интронов и рибосомы для синтеза белков . Эти машины и их наноразмерная динамика намного сложнее любых молекулярных машин, которые до сих пор были созданы искусственно .

Биологические машины могут найти применение в наномедицине . Например , их можно использовать для идентификации и уничтожения раковых клеток . Молекулярная нанотехнология – это спекулятивное подразделение нанотехнологии, касающееся возможности разработки молекулярных ассемблеров , биологических машин, которые могут переупорядочивать материю в молекулярном или атомном масштабе. Наномедицина будет использовать этих , введенных в организм, для восстановления или обнаружения повреждений и инфекций. Молекулярная нанотехнология в высшей степени теоретическая, она направлена на то, чтобы предвидеть, какие изобретения могут принести нанотехнологии, и предложить повестку дня для будущих исследований. Предлагаемые элементы молекулярной нанотехнологии, такие как молекулярные ассемблеры и нанороботы, намного превосходят существующие возможности .

Некоторые биологические молекулярные машины

Исследования

Создание более сложных молекулярных машин – активная область теоретических и экспериментальных исследований. Был разработан ряд молекул, таких как молекулярные пропеллеры , экспериментальные исследования которых, тем не менее, были затруднены из-за отсутствия методов их создания . В этом контексте теоретическое моделирование может быть чрезвычайно полезным для понимания процессов самосборки / разборки ротаксанов, важных для создания молекулярных машин с легким двигателем . Эти знания на молекулярном уровне могут способствовать реализации все более сложных, универсальных и эффективных молекулярных машин для областей нанотехнологии, включая молекулярные ассемблеры.

Хотя в настоящее время это неосуществимо, некоторые потенциальные применения молекулярных машин включают транспортировку на молекулярном уровне, манипулирование наноструктурами и химическими системами, обработку твердотельной информации высокой плотности и молекулярное протезирование . Прежде чем молекулярные машины можно будет использовать на практике, необходимо преодолеть многие фундаментальные проблемы, такие как автономная работа, сложность машин, стабильность в синтезе машин и рабочие условия .

Примечания

  1. ↑ Satir, Peter (2008-03-26). "Structure and function of mammalian cilia". Histochemistry and Cell Biology . 129 (6): 687—93. doi : . PMID . 1432-119X.
  2. . 34 (6): 445—455. 2001. doi : . PMID . из оригинала 15 марта 2020 . Дата обращения: 16 октября 2016 .
  3. "The Future of Molecular Machines". ACS Central Science . 6 (3): 347—358. March 2020. doi : . PMID .
  4. Drexler, K. E. (July 1991). "Molecular directions in nanotechnology". Nanotechnology (англ.) . 2 (3): 113—118. Bibcode : . doi : . ISSN .
  5. . 29 апреля 2016 года.
  6. Staff (2016-10-05). . . из оригинала 5 октября 2016 . Дата обращения: 5 октября 2016 .
  7. Chang, Kenneth (2016-10-05). . New York Times . из оригинала 18 апреля 2018 . Дата обращения: 5 октября 2016 .
  8. ↑ Erbas-Cakmak, Sundus (2015). "Artificial Molecular Machines". Chemical Reviews . 115 (18): 10081—10206. doi : . PMID .
  9. ↑ Anelli, Pier Lucio (June 1991). "A molecular shuttle". Journal of the American Chemical Society . 113 (13): 5131—5133. doi : . PMID .
  10. Bruns, Carson J. (30 May 2014). "Rotaxane-Based Molecular Muscles". Accounts of Chemical Research . 47 (7): 2186—2199. doi : . PMID .
  11. Kay, Euan R. (24 August 2015). "Rise of the Molecular Machines". Angewandte Chemie International Edition . 54 (35): 10080—10088. doi : . PMID .
  12. Fletcher, Stephen P. (2005-10-07). . Science . 310 (5745): 80—82. Bibcode : . doi : . ISSN . PMID .
  13. Perera, U. G. E. (January 2013). "Controlled clockwise and anticlockwise rotational switching of a molecular motor". Nature Nanotechnology . 8 (1): 46—51. Bibcode : . doi : . ISSN . PMID .
  14. Schliwa, Manfred (2003-04-17). "Molecular motors". Nature . 422 (6933): 759—765. Bibcode : . doi : . PMID .
  15. van Delden, Richard A. (October 2005). (PDF) . Nature . 437 (7063): 1337—1340. Bibcode : . doi : . ISSN . PMID . (PDF) из оригинала 4 августа 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  16. Kelly, T. Ross (9 September 1999). . Nature . 401 (6749): 150—152. Bibcode : . doi : . PMID .
  17. Koumura, Nagatoshi (9 September 1999). (PDF) . Nature . 401 (6749): 152—155. Bibcode : . doi : . PMID . (PDF) из оригинала 4 августа 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  18. Vicario, Javier (2005). . Chemical Communications . 116 (47): 5910—2. doi : . PMID .
  19. Fennimore, A. M. (24 July 2003). . Nature . 424 (6947): 408—410. Bibcode : . doi : . PMID .
  20. Simpson, Christopher D. (March 2004). "Nanosized Molecular Propellers by Cyclodehydrogenation of Polyphenylene Dendrimers". Journal of the American Chemical Society . 126 (10): 3139—3147. doi : . PMID .
  21. Wang, Boyang (2007). "Chemically Tunable Nanoscale Propellers of Liquids". Physical Review Letters . 98 (26): 266102. Bibcode : . doi : . PMID .
  22. ↑ Feringa, Ben L. (May 2000). (PDF) . Chemical Reviews . 100 (5): 1789—1816. doi : . PMID . (PDF) из оригинала 4 августа 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  23. Knipe, Peter C. (2015). "Ion-mediated conformational switches". Chemical Science . 6 (3): 1630—1639. doi : . PMID .
  24. Kazem-Rostami, Masoud (2017). . Organic Chemistry Frontiers . 4 (2): 224—228. doi : .
  25. ↑ Bissell, Richard A (12 May 1994). . Nature . 369 (6476): 133—137. Bibcode : . doi : .
  26. Chatterjee, Manashi N. (2006-03-01). "Beyond Switches: Ratcheting a Particle Energetically Uphill with a Compartmentalized Molecular Machine". Journal of the American Chemical Society . 128 (12): 4058—4073. doi : . ISSN . PMID .
  27. Shirai, Yasuhiro (November 2005). "Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars". Nano Letters . 5 (11): 2330—2334. Bibcode : . doi : . PMID .
  28. Kudernac, Tibor (10 November 2011). . Nature . 479 (7372): 208—211. Bibcode : . doi : . PMID .
  29. Paliwal, S. (1994-05-01). "Molecular Torsion Balance for Weak Molecular Recognition Forces. Effects of "Tilted-T" Edge-to-Face Aromatic Interactions on Conformational Selection and Solid-State Structure". Journal of the American Chemical Society . 116 (10): 4497—4498. doi : . ISSN .
  30. Mati, Ioulia K. (2010-10-19). (PDF) . Chemical Society Reviews . 39 (11): 4195—205. doi : . ISSN . PMID . (PDF) из оригинала 4 августа 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  31. Yang, Lixu (2015-08-19). . Journal of the American Chemical Society . 137 (32): 10084—10087. doi : . ISSN . PMID . из оригинала 4 августа 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  32. Li, Ping (2013-06-07). "Comprehensive Experimental Study of N-Heterocyclic π-Stacking Interactions of Neutral and Cationic Pyridines". The Journal of Organic Chemistry . 78 (11): 5303—5313. doi : . ISSN . PMID .
  33. Hwang, Jungwun (2016-07-04). "Distance-Dependent Attractive and Repulsive Interactions of Bulky Alkyl Groups". Angewandte Chemie International Edition . 55 (28): 8086—8089. doi : . ISSN . PMID .
  34. Ardejani, Maziar S. (2017-08-15). "Using Cooperatively Folded Peptides To Measure Interaction Energies and Conformational Propensities". Accounts of Chemical Research . 50 (8): 1875—1882. doi : . ISSN . PMID .
  35. Chen, C. W. (July 1978). "Molecular tweezers: a simple model of bifunctional intercalation". Journal of the American Chemical Society . 100 (15): 4921—4922. doi : .
  36. Klärner, Frank-Gerrit (December 2003). "Molecular Tweezers and Clips as Synthetic Receptors. Molecular Recognition and Dynamics in Receptor−Substrate Complexes". Accounts of Chemical Research . 36 (12): 919—932. doi : . PMID .
  37. Yurke, Bernard (10 August 2000). . Nature . 406 (6796): 605—608. Bibcode : . doi : . PMID .
  38. "Nanorobot architecture for medical target identification". . 19 (1): 015103(15pp). 2008. Bibcode : . doi : .
  39. Wu, Di (2017). "Fluorescent chemosensors: the past, present and future". Chemical Society Reviews . 46 (23): 7105—7123. doi : . PMID .
  40. Prasanna de Silva, A. (April 2000). "Proof-of-Principle of Molecular-Scale Arithmetic". Journal of the American Chemical Society . 122 (16): 3965—3966. doi : .
  41. Magri, David C. (April 2006). "Communicating Chemical Congregation: A Molecular AND Logic Gate with Three Chemical Inputs as a "Lab-on-a-Molecule" Prototype". Journal of the American Chemical Society . 128 (15): 4950—4951. doi : . PMID .
  42. Lewandowski, Bartosz (2013-01-11). "Sequence-Specific Peptide Synthesis by an Artificial Small-Molecule Machine". Science . 339 (6116): 189—193. Bibcode : . doi : . ISSN . PMID .
  43. De Bo, Guillaume (2014-04-16). "Efficient Assembly of Threaded Molecular Machines for Sequence-Specific Synthesis". Journal of the American Chemical Society . 136 (15): 5811—5814. doi : . ISSN . PMID .
  44. De Bo, Guillaume (2017-08-09). (PDF) . Journal of the American Chemical Society . 139 (31): 10875—10879. doi : . ISSN . PMID . (PDF) из оригинала 28 июля 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  45. Kassem, Salma (September 2017). . Nature . 549 (7672): 374—378. Bibcode : . doi : . ISSN . PMID . из оригинала 4 августа 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  46. De Bo, Guillaume (2018-04-02). . Nature Nanotechnology . 13 (5): 381—385. Bibcode : . doi : . ISSN . PMID . из оригинала 4 августа 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  47. Kay, Euan R. (January 2007). "Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines". Angewandte Chemie International Edition . 46 (1–2): 72—191. doi : .
  48. Bandara, H. M. Dhammika (2012). "Photoisomerization in different classes of azobenzene". Chem. Soc. Rev . 41 (5): 1809—1825. doi : .
  49. Wang, Jing (2020). "Reversible photo-responsive gel–sol transitions of robust organogels based on an azobenzene-containing main-chain liquid crystalline polymer". RSC Advances . 10 (7): 3726—3733. doi : .
  50. Hada, Masaki (13 September 2019). . Nature Communications (англ.) . 10 (1): 4159. doi : . ISSN . из оригинала 4 августа 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  51. Garcia-Amorós, Jaume (2014). "A photoswitchable bis-azo derivative with a high temporal resolution". Chem. Commun . 50 (78): 11462—11464. doi : .
  52. Kazem-Rostami, Masoud (2017). "Design and synthesis of Ʌ-shaped photoswitchable compounds employing Tröger's base scaffold". Synthesis . 49 (6): 1214—1222. doi : .
  53. Kassem, Salma (2017). "Artificial molecular motors". Chemical Society Reviews . 46 (9): 2592—2621. doi : .
  54. Jones, Christopher D. (7 May 2021). . Journal of the American Chemical Society . doi : . ISSN . из оригинала 16 мая 2021 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  55. Despras, Guillaume (10 August 2017). "Photocontrol over Molecular Shape: Synthesis and Photochemical Evaluation of Glycoazobenzene Macrocycles". Chemistry - A European Journal . 23 (45): 10838—10847. doi : .
  56. Nagamani, S. Anitha (November 2005). "Photoinduced Hinge-Like Molecular Motion: Studies on Xanthene-Based Cyclic Azobenzene Dimers". The Journal of Organic Chemistry . 70 (23): 9304—9313. doi : .
  57. Donald, Voet. Biochemistry. — 2011. — ISBN 9780470570951 .
  58. ↑ А.В. Приезжев, Ю.М. Романовский Физические основы подвижности клеток // Зарембо Л.К., Болотовский Б.М., Стаханов И.П Школьникам о современной физике. Акустика. Теория относительности. Биофизика. — М., Просвещение, 1990. — c. 105-130
  59. Kinbara, Kazushi (2005-04-01). "Toward Intelligent Molecular Machines: Directed Motions of Biological and Artificial Molecules and Assemblies". Chemical Reviews . 105 (4): 1377—1400. doi : . ISSN . PMID .
  60. Protein Structure and Diseases. — Vol. 83. — P. 163–221. — ISBN 9780123812629 . — doi : .
  61. Amrute-Nayak, M. (2010). "Targeted Optimization of a Protein Nanomachine for Operation in Biohybrid Devices". Angewandte Chemie . 122 (2): 322—326. doi : . PMID .
  62. Patel, G. M. (2006). "Nanorobot: A versatile tool in nanomedicine". Journal of Drug Targeting . 14 (2): 63—7. doi : . PMID .
  63. Balasubramanian, S. (2011). "Micromachine-Enabled Capture and Isolation of Cancer Cells in Complex Media". Angewandte Chemie International Edition . 50 (18): 4161—4164. doi : . PMID .
  64. Freitas, Robert A. Jr. (2005). (PDF) . Journal of Computational and Theoretical Nanoscience . 2 (4): 471. Bibcode : . doi : . (PDF) из оригинала 6 июня 2019 . Дата обращения: 4 августа 2021 .
  65. . Дата обращения: 16 июля 2022. 23 декабря 2019 года.
  66. Golestanian, Ramin (2005-06-10). "Propulsion of a Molecular Machine by Asymmetric Distribution of Reaction Products". Physical Review Letters . 94 (22): 220801. arXiv : . Bibcode : . doi : . PMID .
  67. Drexler, K. Eric (1999-01-01). . Trends in Biotechnology (англ.) . 17 (1): 5—7. doi : . ISSN .
  68. Tabacchi, G. (2016). "Dethreading of a Photoactive Azobenzene-Containing Molecular Axle from a Crown Ether Ring: A Computational Investigation". ChemPhysChem . 17 (12): 1913—1919. doi : . PMID .
  69. Coskun, Ali (2011-12-05). "Great expectations: can artificial molecular machines deliver on their promise?". Chem. Soc. Rev . 41 (1): 19—30. doi : . ISSN . PMID .
Источник —

doriana
  • 2021-06-26
  • 2
  • Tags:

Same as Молекулярная машина

The title for the last searches