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
.
Содержание
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.
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
.
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
– 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 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
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
.
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
↑
Satir, Peter (2008-03-26). "Structure and function of mammalian cilia".
Histochemistry and Cell Biology
.
129
(6): 687—93.
doi
:
.
PMID
. 1432-119X.
.
34
(6): 445—455. 2001.
doi
:
.
PMID
.
из оригинала
15 марта 2020
. Дата обращения:
16 октября 2016
.
"The Future of Molecular Machines".
ACS Central Science
.
6
(3): 347—358. March 2020.
doi
:
.
PMID
.
Drexler, K. E. (July 1991). "Molecular directions in nanotechnology".
Nanotechnology
(англ.)
.
2
(3): 113—118.
Bibcode
:
.
doi
:
.
ISSN
.
(неопр.)
.
29 апреля 2016 года.
Staff (2016-10-05).
.
.
из оригинала
5 октября 2016
. Дата обращения:
5 октября 2016
.
Chang, Kenneth (2016-10-05).
.
New York Times
.
из оригинала
18 апреля 2018
. Дата обращения:
5 октября 2016
.
↑
Erbas-Cakmak, Sundus (2015). "Artificial Molecular Machines".
Chemical Reviews
.
115
(18): 10081—10206.
doi
:
.
PMID
.
↑
Anelli, Pier Lucio (June 1991). "A molecular shuttle".
Journal of the American Chemical Society
.
113
(13): 5131—5133.
doi
:
.
PMID
.
Bruns, Carson J. (30 May 2014). "Rotaxane-Based Molecular Muscles".
Accounts of Chemical Research
.
47
(7): 2186—2199.
doi
:
.
PMID
.
Kay, Euan R. (24 August 2015). "Rise of the Molecular Machines".
Angewandte Chemie International Edition
.
54
(35): 10080—10088.
doi
:
.
PMID
.
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
.
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
.
Kelly, T. Ross (9 September 1999).
.
Nature
.
401
(6749): 150—152.
Bibcode
:
.
doi
:
.
PMID
.
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
.
Vicario, Javier (2005).
.
Chemical Communications
.
116
(47): 5910—2.
doi
:
.
PMID
.
Fennimore, A. M. (24 July 2003).
.
Nature
.
424
(6947): 408—410.
Bibcode
:
.
doi
:
.
PMID
.
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
.
↑
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
.
Knipe, Peter C. (2015). "Ion-mediated conformational switches".
Chemical Science
.
6
(3): 1630—1639.
doi
:
.
PMID
.
↑
Bissell, Richard A (12 May 1994).
.
Nature
.
369
(6476): 133—137.
Bibcode
:
.
doi
:
.
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
.
Shirai, Yasuhiro (November 2005). "Directional Control in Thermally Driven Single-Molecule Nanocars".
Nano Letters
.
5
(11): 2330—2334.
Bibcode
:
.
doi
:
.
PMID
.
Kudernac, Tibor (10 November 2011).
.
Nature
.
479
(7372): 208—211.
Bibcode
:
.
doi
:
.
PMID
.
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
.
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
.
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
.
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
.
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
.
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
.
Chen, C. W. (July 1978). "Molecular tweezers: a simple model of bifunctional intercalation".
Journal of the American Chemical Society
.
100
(15): 4921—4922.
doi
:
.
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
.
Yurke, Bernard (10 August 2000).
.
Nature
.
406
(6796): 605—608.
Bibcode
:
.
doi
:
.
PMID
.
"Nanorobot architecture for medical target identification".
.
19
(1): 015103(15pp). 2008.
Bibcode
:
.
doi
:
.
Wu, Di (2017). "Fluorescent chemosensors: the past, present and future".
Chemical Society Reviews
.
46
(23): 7105—7123.
doi
:
.
PMID
.
Prasanna de Silva, A. (April 2000). "Proof-of-Principle of Molecular-Scale Arithmetic".
Journal of the American Chemical Society
.
122
(16): 3965—3966.
doi
:
.
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
.
Lewandowski, Bartosz (2013-01-11). "Sequence-Specific Peptide Synthesis by an Artificial Small-Molecule Machine".
Science
.
339
(6116): 189—193.
Bibcode
:
.
doi
:
.
ISSN
.
PMID
.
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
.
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
.
Kassem, Salma (September 2017).
.
Nature
.
549
(7672): 374—378.
Bibcode
:
.
doi
:
.
ISSN
.
PMID
.
из оригинала
4 августа 2021
. Дата обращения:
4 августа 2021
.
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
.
Kay, Euan R. (January 2007). "Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines".
Angewandte Chemie International Edition
.
46
(1–2): 72—191.
doi
:
.
Bandara, H. M. Dhammika (2012). "Photoisomerization in different classes of azobenzene".
Chem. Soc. Rev
.
41
(5): 1809—1825.
doi
:
.
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
:
.
Hada, Masaki (13 September 2019).
.
Nature Communications
(англ.)
.
10
(1): 4159.
doi
:
.
ISSN
.
из оригинала
4 августа 2021
. Дата обращения:
4 августа 2021
.
Garcia-Amorós, Jaume (2014). "A photoswitchable bis-azo derivative with a high temporal resolution".
Chem. Commun
.
50
(78): 11462—11464.
doi
:
.
Kazem-Rostami, Masoud (2017). "Design and synthesis of Ʌ-shaped photoswitchable compounds employing Tröger's base scaffold".
Synthesis
.
49
(6): 1214—1222.
doi
:
.
Kassem, Salma (2017). "Artificial molecular motors".
Chemical Society Reviews
.
46
(9): 2592—2621.
doi
:
.
Jones, Christopher D. (7 May 2021).
.
Journal of the American Chemical Society
.
doi
:
.
ISSN
.
из оригинала
16 мая 2021
. Дата обращения:
4 августа 2021
.
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
:
.
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
:
.
↑
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
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
.
Amrute-Nayak, M. (2010). "Targeted Optimization of a Protein Nanomachine for Operation in Biohybrid Devices".
Angewandte Chemie
.
122
(2): 322—326.
doi
:
.
PMID
.
Patel, G. M. (2006). "Nanorobot: A versatile tool in nanomedicine".
Journal of Drug Targeting
.
14
(2): 63—7.
doi
:
.
PMID
.
Balasubramanian, S. (2011). "Micromachine-Enabled Capture and Isolation of Cancer Cells in Complex Media".
Angewandte Chemie International Edition
.
50
(18): 4161—4164.
doi
:
.
PMID
.
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
.
(неопр.)
. Дата обращения: 16 июля 2022.
23 декабря 2019 года.
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
.
Drexler, K. Eric (1999-01-01).
.
Trends in Biotechnology
(англ.)
.
17
(1): 5—7.
doi
:
.
ISSN
.
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
.
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
.