Previous |  Up |  Next

Article

Summary:
V živých buňkách existuje řada molekulárních strojů nanometrových rozměrů, které dokáží měnit chemickou energii na mechanický pohyb. Nositel Nobelovy ceny za fyziku Richard Feynman v jedné ze svých přednášek v roce 1984 předpověděl, že časem bude možné vytvářet prakticky použitelné molekulové stroje také uměle v chemických laboratořích. Jeho vize již začíná získávat reálné obrysy. Nobelovu cenu za chemii obdrželi v roce 2016 Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa za výzkum, jenž umožnil syntézu supramolekulárních komplexů, které se jako molekulární stroje chovají. Základní charakteristiku takového stroje představuje existence několika funkčních podjednotek molekulového komplexu, které se vůči sobě mohou navzájem pohybovat. Prvnímu z laureátů se podařilo najít způsob, jak připravovat řetízky prstencových molekul zvaných katenany, které jsou navzájem svázány pouze topologicky (mechanicky), nikoli chemickou vazbou. Sir J. Fraser Stoddart připravil rotaxany, což jsou cyklické molekuly navlečené na jinou molekulu ve tvaru činky, podél které dokázal navlečenými prstenci definovaným způsobem pohybovat. B. L. Feringa syntetizoval molekuly tvořené dvěma planárními strukturami propojenými dvojnou vazbou, které dokáží vůči sobě rotovat rychlostí až 12 106 otáček za sekundu, když jsou poháněny pulzy UV záření. Práce oceněné Nobelovou cenou otevřely cestu k sestavování mnoha dalších komplexnějších strojů, jako jsou klouby, ložiska, táhla, páky nebo spínače. V následujícím článku jsou představeny tři konkrétní příklady molekulárních strojů, názorně ilustrující některé obecné principy jejich konstrukce a fungování.
References:
[1] Astumian, R. D.: Thermodynamics and kinetics of a Brownian motor. Science 276 (1997), 917–922. DOI 10.1126/science.276.5314.917
[2] Astumian, R. D.: How molecular motors work - insights from the molecular machinist’s toolbox: the Nobel prize in Chemistry 2016. Chem. Sci. 8 (2017), 840–845. DOI 10.1039/C6SC04806D
[3] Badjic, J. D., Balzani, V., Credi, A., Silvi, S., Stoddart, J. F.: A molecular elevator. Science 303 (2004), 1845–1849.
[4] Badjic, J. D., Ronconi, C. M., Stoddart, J. F., Balzani, V., Silvi, S., Credi, A.: Operating molecular elevators. J. Amer. Chem. Soc. 128 (2006), 1489–1499. DOI 10.1021/ja0543954
[5] Browne, W. R., Feringa, B. L.: Making molecular machines work. Nat. Nanotechnol. 1 (2006), 25–35. DOI 10.1038/nnano.2006.45
[6] Cantrill, S. J., Youn, G. J., Stoddart, J. F., Williams, D. J.: Supramolecular daisy chains. J. Org. Chem. 66 (2001), 6857–6872. DOI 10.1021/jo010405h
[7] Carroll, G. T., Pollard, M. M., Van Delden, R., Feringa, B. L.: Controlled rotary motion of light-driven molecular motors assembled on a gold film. Chem. Sci. 1 (2010), 97–101. DOI 10.1039/c0sc00162g
[8] Coskun, A., Banaszak, M., Astumian, R. D., Stoddart, J. F., Grzybowski, B. A.: Great expectations: can artificial molecular machines deliver on their promise?. Chem. Soc. Rev. 41 (2012), 19–30. DOI 10.1039/C1CS15262A
[9] Coskun, A., Spruell, J. M., Barin, G., Dichtel, W. R., Flood, A. H., Botros, Y. Y., Stoddart, J. F.: High hopes: can molecular electronics realise its potential?. Chem. Soc. Rev. 41 (2012), 4827–4859. DOI 10.1039/c2cs35053j
[10] Durot, S., Reviriego, F., Sauvage, J. P.: Copper-complexed catenanes and rotaxanes in motion: 15 years of molecular machines. Dalton Trans. 39 (2010), 10557–10570. DOI 10.1039/c0dt00457j
[11] Erbas-Cakmak, S,, Leigh, D. A., Mcternan, C. T., Nussbaumer, A. L.: Artificial molecular machines. Chem. Rev. 115 (2015), 10081–10206.
[12] Feringa, B., Wynberg, H.: Torsionally distorted olefins. Resolution of cis- and trans-4,4’-Bi-1,1’,2,2’,3,3’-hexahydrophenanthrylidene. J. Amer. Chem. Soc. 99 (1977), 602–603. DOI 10.1021/ja00444a046
[13] Huang, T. J., Brough, B., Ho, C. M., Liu, Y., Flood, A. H., Bonvallet, P. A., Tseng, H. R., Stoddart, J. F., Baller, M., Magonov, S.: A nanomechanical device based on linear molecular motors. Appl. Phys. Lett. 85 (2004), 5391–5393. DOI 10.1063/1.1826222
[15] Iwaso, K., Takashima, Y., Harada, A.: Fast response dry-type artificial molecular muscles with c2 daisy chains. Nat. Chem. 8 (2016), 626–633. DOI 10.1038/nchem.2513
[16] Jimenez, M. C., Dietrich-Buchecker, C., Sauvage, J. P.: Towards synthetic molecular muscles: Contraction and stretching of a linear rotaxane dimer. Angew. Chem. Int. Ed. 39 (2000), 3284–3287. DOI 10.1002/1521-3773(20000915)39:18<3284::AID-ANIE3284>3.0.CO;2-7
[17] Jimenez-Molero, M. C., Dietrich-Buchecker, C., Sauvage, J. P.: Chemically induced contraction and stretching of a linear rotaxane dimer. Chem. Eur. J. 8 (2002), 1456–1466. DOI 10.1002/1521-3765(20020315)8:6<1456::AID-CHEM1456>3.0.CO;2-H
[18] Kay, E. R., Leigh, D. A., Zerbetto, F.: Synthetic molecular motors and mechanical machines. Angew. Chem. Int. Ed. 46 (2007), 72–191. DOI 10.1002/anie.200504313
[19] Ko, W. H.: Trends and frontiers of MEMS. Sens. Actuators A Phys. 136 (2007), 62–67.
[20] Koumura, N., Geertsema, E. M., Meetsma, A., Feringa, B. L.: Light-driven molecular rotor: Unidirectional rotation controlled by a single stereogenic center. J. Amer. Chem. Soc. 122 (2000), 12005–12006. DOI 10.1021/ja002755b
[21] Kudernac, T., Ruangsupapichat, N., Parschau, M., Macia, B., Katsonis, N., Harutyunyan, S. R., Ernst, K. H., Feringa, B. L.: Electrically driven directional motion of a four-wheeled molecule on a metal surface. Nature 479 (2011), 208–211. DOI 10.1038/nature10587
[22] Lánský, Z.: Kráčející proteiny v nitru živých buněk. Pokroky Mat. Fyz. Astronom. 61 (2016) 273–284.
[23] Liu, Y., Flood, A. H., Bonvallett, P. A., Vignon, S. A., Northrop, B. H., Tseng, H. R., Jeppesen, J. O., Huang, T. J., Brough, B., Baller, M., Magonov, S., Solares, S. D., Goddard, W. A., Ho, C. M., Stoddart, J. F.: Linear artificial molecular muscles. J. Amer. Chem. Soc. 127 (2005), 9745–9759. DOI 10.1021/ja051088p
[24] Pengwang, E., Rabenorosoa, K., Rakotondrabe, M., Andreff, N.: Scanning micromirror platform based on MEMS technology for medical application. Micromachines 7 (2016), paper No. 24, DOI: 10.3390/mi7020024. DOI 10.3390/mi7020024
[25] Pollard, M. M., Klok, M., Pijper, D., Feringa, B. L.: Rate acceleration of light-driven rotary molecular motors. Adv. Funct. Mater. 17 (2007), 718–729. DOI 10.1002/adfm.200601025
[26] Pollard, M. M., Ter Wiel, M. K. J., Van Delden, R. A., Vicario, J., Koumura, N., Van Den Brom, C. R., Meetsma, A., Feringa, B. L.: Light-driven rotary molecular motors on gold nanoparticles. Chem. Eur. J. 14 (2008), 11610–11622. DOI 10.1002/chem.200800814
[27] Ramström, O.: Molecular machines. Scientific Background on the Nobel Prize in Chemistry 2016. The Royal Swedish Academy of Sciences, Stockholm, 2016, https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/chemistry/laureates/2016/
[28] Vachon, J., Carroll, G. T., Pollard, M. M., Mes, E. M., Brouwer, A. M., Feringa, B. L.: An ultrafast surface-bound photo-active molecular motor. Photochem. Photobiol. Sci. 13 (2014), 241–246. DOI 10.1039/C3PP50208B
[29] Van Dongen, S. F. M., Cantekin, S., Elemans, J., Rowan, A. E., Nolte, R. J. M.: Functional interlocked systems. Chem. Soc. Rev. 43 (2014), 99–122. DOI 10.1039/C3CS60178A
[30] Wang, J. B., Feringa, B. L.: Dynamic control of chiral space in a catalytic asymmetric reaction using a molecular motor. Science 331 (2011), 1429–1432. DOI 10.1126/science.1199844
[31] Xue, M., Yang, Y., Chi, X. D., Yan, X. Z., Huang, F. H.: Development of pseudorotaxanes and rotaxanes: from synthesis to stimuli-responsive motions to applications. Chem. Rev. 115 (2015), 7398–7501. DOI 10.1021/cr5005869
Partner of
EuDML logo