Новая машина имитирует перекачивающий механизм поддерживающих жизнь белков, которые перемещают небольшие молекулы вокруг живых клеток для метаболизма и хранения энергии из пищи. В качестве пищи искусственный насос черпает энергию из химических реакций, шаг за шагом переводя молекулы из состояния с низкой энергией в состояние с высокой энергией — вдали от равновесия.В то время как у природы были миллиарды лет, чтобы усовершенствовать свой сложный молекулярный механизм, современная наука только начинает касаться того, что может быть возможным в завтрашнем мире.«Наш молекулярный насос — это радикальная химия — гениальный способ передачи энергии от молекулы к молекуле, как это делает природа», — сказал сэр Фрейзер Стоддарт, старший автор исследования.
Стоддарт является профессором химии в Попечительском совете колледжа искусств и наук Вайнберга Северо-Западного университета.«Все живые организмы, включая человека, должны постоянно транспортировать и перераспределять молекулы вокруг своих клеток, используя жизненно важные белки-переносчики», — сказал он. «Мы пытаемся воссоздать действие этих белков, используя относительно простые небольшие молекулы, которые мы производим в лаборатории».
Подробности об искусственном молекулярном насосе были опубликованы 18 мая в журнале Nature Nanotechnology.Чуян Ченг, аспирант четвертого курса лаборатории Стоддарта и первый автор статьи, защитил докторскую диссертацию. изучает молекулы, имитирующие биохимические механизмы природы.
Он впервые сконструировал искусственный насос два года назад, но потребовалось более года испытаний прототипов, прежде чем он нашел идеальную химическую структуру.«В некоторых отношениях мы просим молекулы вести себя не так, как они обычно», — сказал Ченг. «Это очень похоже на попытку столкнуть два магнита вместе. Кольцеобразные молекулы, с которыми мы работаем, отталкиваются друг от друга при нормальных обстоятельствах. Искусственный насос способен откачивать часть энергии, которая переходит из рук в руки во время химической реакции, и использует ее для соедините кольца вместе ".
Крошечная молекулярная машина наматывает кольца на наноскопическую цепь — своего рода ось — и сжимает кольца, разделяя их всего на несколько нанометров. В настоящее время искусственный молекулярный насос способен объединить только два кольца, но исследователи полагают, что совсем скоро они смогут расширить его действие до десятков колец и накапливать больше энергии.Команда Стоддарта уже несколько лет занимается исследованиями искусственных молекулярных машин.
Проблема, с которой они сталкивались долгое время, — это приводить в действие свои машины. Это последнее достижение может позволить им создавать машины, выполняющие задачи на молекулярном уровне.
По словам исследователей, по сравнению с природной системой искусственный насос очень прост, но это только начало. Они разработали новую систему, использующую кинетические барьеры, которая позволяет молекулам энергетически двигаться «вверх».«Это неравновесная химия, которая перемещает молекулы далеко от их минимального энергетического состояния, которое необходимо для жизни», — сказал Пол Р. МакГонигал, автор исследования. «Проведение неравновесной химии таким образом с помощью простых искусственных молекул — одна из основных задач науки в 21 веке».В конечном итоге они намерены использовать энергию, хранящуюся в их насосе, для питания искусственных мышц и других молекулярных машин.
Исследователи также надеются, что их дизайн вдохновит других химиков, работающих в области неравновесной химии.«Это полностью отличается от процесса проектирования оборудования, которое мы привыкли видеть в повседневной жизни», — сказал Стоддарт. «В некотором смысле, нужно научиться видеть вещи с точки зрения молекул, учитывая силы, такие как случайное тепловое движение, которое никогда не будет учитываться при создании сельскохозяйственного водяного насоса или любого другого механического устройства».