Химики обычно синтезируют молекулы, используя стохастические столкновения молекул реагентов в растворе с образованием связей. Природа придерживается иной стратегии биохимического синтеза.
Большинство биохимических реакций запускается белковыми комплексами машинного типа, которые связывают и позиционируют реактивные молекулы для селективных преобразований. Искусственные «молекулярные ассемблеры», выполняющие «механосинтез», были предложены как новая парадигма в химии и нанопроизводстве. Группа химиков из Кильского университета (Германия) построила первый искусственный ассемблер, который выполняет синтез и использует свет в качестве источника энергии.
Система сочетает в себе избирательное связывание реагентов, точное позиционирование и активное высвобождение продукта. Ученые опубликовали свои выводы в журнале Communications Chemistry.
Идея молекулярных ассемблеров, способных строить молекулы, была предложена еще в 1986 году К. Эрик Дрекслер, основанный на идеях Ричарда Фейнмана, лауреата Нобелевской премии по физике. В своей книге «Двигатели созидания: грядущая эра нанотехнологий» и последующих публикациях Дрекслер предлагает молекулярные машины, способные позиционировать реактивные молекулы с атомной точностью и создавать более крупные и сложные структуры с помощью механосинтеза.
Если такой молекулярный наноробот мог построить любую молекулу, он, безусловно, мог бы построить еще одну копию самого себя, т.е.е. он может самовоспроизводиться. Эти образные видения вдохновили ряд авторов научной фантастики, но также положили начало интенсивным научным спорам.
Проблема «липких пальцев»
Кульминацией дискуссии стала статья на обложке журнала Chemical & Engineering News в 2003 г. с ключевым вопросом: «Возможны ли молекулярные ассемблеры – устройства, способные позиционировать атомы и молекулы для точно определенных реакций??”Здесь лауреат Нобелевской премии Ричард Э. Смолли выдвинул два основных возражения: проблема «толстых пальцев» и «липких пальцев»: чтобы захватить и направить каждый отдельный атом, ассемблер должен иметь много нанопальцев.
Смолли утверждал, что в области реакции нанометрового размера просто недостаточно места для размещения всех пальцев всех манипуляторов, необходимых для полного контроля над химией. Проблема “липкого пальца” возникает из-за того, что атомы в руках манипулятора прилипают к перемещаемому атому. Поэтому часто бывает невозможно высвободить строительный блок именно в нужном месте. Смолли приходит к выводу, что проблемы с жиром и липкостью пальцев являются фундаментальными, и их невозможно избежать.
Глядя на молекулярные ассемблеры природы
Однако в природе существует множество примеров молекулярных ассемблеров, таких как рибосома, нерибосомные пептидные синтетазы, поликетидсинтазы и АТФ-синтазы. «С точки зрения молекулярных ассемблеров мы можем утверждать, что если природа использует молекулярные ассемблеры для синтеза, химики должны – по крайней мере в принципе – иметь возможность создавать и использовать искусственные ассемблеры в лаборатории», – говорит Райнер Хергес, профессор органической химии. и представитель Центра совместных исследований 677 “Функция путем переключения” при Кильском университете.
Хергес и его команда построили первый искусственный ассемблер, в котором в качестве источника энергии используется свет. Глядя на молекулярные ассемблеры в природе, они пытались систематически снизить их сложность и сложность до уровня, достижимого с помощью синтетической химии. Синтез АТФ из АДФ и фосфата и нерибосомных пептидных синтетаз служил образцом.
Фотопереключаемый лиганд проводит реакцию
Они захватывают реагенты, четыре иона ванадата, сближают их и объединяют в кольца. Путем позиционирования реагентов фотопереключаемый лиганд направляет реагенты через определенный реакционный канал, и образуется молекула, которой нет в исходном растворе. Фотохимическое переключение лиганда в несвязывающее состояние также запускает высвобождение продукта и решает проблему «липкого пальца».
Исследовательская группа выбрала УФ-свет в качестве внешнего источника энергии, потому что его удобно применять и не образуются мешающие побочные продукты, в отличие от химических источников энергии.
Смена парадигмы в химическом синтезе
Подобные молекулярные машины, такие как ассемблеры, которые конденсируют аминокислоты в белки, вызовут сдвиг парадигмы в химическом синтезе.
Очевидные преимущества – меньшее количество побочных продуктов, энантиоселективность и более короткие пути синтеза, поскольку механосинтез заставляет молекулы попасть в заранее определенный канал реакции. “Кроме того, кольцевой продукт имеет более высокую энергию, чем исходный материал. Другими словами, энергия света преобразуется в химическую энергию », – подчеркивает Хергес. «Хотя механосинтез с использованием искусственных молекулярных ассемблеров является чрезвычайно сложной задачей, его стоит изучить и он может предоставить новый способ преобразования световой энергии.”
Немного на этих днях про алкомаркет Дубай много интересного почитал, на мой взгляд это интересно и очень важно. Очень полезная информация.