Forskere finder gaspedalen til molekylære maskiner
Hvor svært kan det være at få et hjul til at dreje rundt i en maskine? Det er faktisk afsindigt svært, når hjulet sidder i en af de nanometer-små molekylære maskiner, som forskere over hele verden er optaget af i disse år. Med de nye molekylære maskiner kan vores computere fx blive hundrede gange mindre, men før vi når derhen, skal vi kunne kontrollere de ustyrlige molekylære maskiner. SDU-forskere har nu opklaret en del af gåden.
Der findes store maskiner og små maskiner – og så findes der molekylære maskiner. Det er småbitte samlinger af molekylære byggeklodser, der tilsammen udgør en maskine og driver forskellige processer på celleniveau. Biologien er fuld af naturlige molekylære maskiner, og i disse år tørster videnskaben efter at skabe kunstige molekylære maskiner. Hvis det lykkes at skabe kunstige, driftssikre molekylære maskiner, kan vi forvente markant mindre maskiner i vores hverdag. Molekylære maskiner kan fx give os organiske computere, der er hundrede gange mindre end de computere, vi kender i dag.
Fra biologiens verden kender vi bl.a. den molekylære maskine, ATP syntasen. Den drejer rundt, og i processen laver den molekylet ADP om til ATP, som fungerer som energi til vores celler.
”Det er en klassisk biologisk molekylær maskine, som man kan lade sig inspirere af, når man arbejder med kunstige molekylære maskiner”, forklarer Sissel Stenbæk Andersen, postdoc ved Institut for Fysik, Kemi og Farmaci.
”Vi vil gerne lave en kunstig maskine, der på lignende vis kan dreje rundt og drive en proces. Det lyder meget lavpraktisk og enkelt, men det er det ikke. Det er faktisk en kæmpe udfordring at holde styr på, hvordan maskinen drejer rundt, og hvor hurtigt den gør det – og det skal vi kunne kontrollere, hvis vi skal have nytte af en molekylær maskine”, siger Sissel Stenbæk Andersen.
Det er nu lykkedes hende og hendes kolleger at finde en af de gaspedaler, der kontroller molekylære maskiners hastighed.
Sammen med ph.d. Andrew I. Share fra Department of Chemistry, Indiana University, USA, er hun hovedforfatter til en artikel om emnet i tidsskriftet Journal of American Chemical Society. Projektets forskningsledere er Jan O. Jeppesen fra Institut for Fysik, Kemi og Farmaci på SDU og Amar H. Flood fra Department of Chemistry, Indiana University.
Princippet i en molekylær maskine er, at man ved at tilføre en stimuli får den molekylære maskine til at dreje rundt. I første omgang gælder det om at studere og forstå, hvordan bevægelsen foregår og hvilke forhindringer, der er mellem et startpunkt og et stoppunkt, som kan påvirke hastigheden. Kan man finde den eller de gaspedaler, der kontrollerer fald og stigning i hastighed på denne strækning, har man en viden, man kan bruge til at indsætte eller fjerne gaspedaler andre steder i maskinen og dermed få kontrol over hastigheden.
”Vi fandt ud af, at det faktisk går hurtigere, når afstanden mellem start og stop er lang, end hvis den er kort – og det overraskede os; man ville jo umiddelbart forvente, at det ville tage lang tid at aflægge lange afstande og kort tid at aflægge korte afstande. Når vejen mellem start og stop er lang, bliver den i vores molekyle også blød og med færre forhindringer, og så går det hurtigere, end når vejen er kort og mere kantet. Den lange vej er pga. sin længde mere fleksibel, og derfor kan den forme sig mere frit og bliver derved blødere og får færre forhindringer. Vejens længde bliver altså et middel til at kontrollere hastigheden”, forklarer Sissel Stenbæk Andersen.
Forsøgene viste også, at hastigheden stiger markant, når afstanden øges.
”Da vi fordoblede afstanden, blev hastigheden tre gange større. Og da vi igen fordoblede afstanden, steg hastigheden til et punkt, vi ikke kunne måle”, siger Sissel Stenbæk Andersen.
Forskernes arbejde har fokuseret på den proces, der sker, når et molekyle sættes i bevægelse mellem et startpunkt og et stoppunkt på et stykke vej. Håbet er nu at overføre den nyhøstede indsigt til at skabe en maskine, der kan bruge denne bevægelsesenergi til at dreje rundt og drive en proces.
FAKTA: Sådan starter man en molekylær maskine
Ligesom alle andre maskiner skal molekylære maskiner have tilført energi for at kunne køre. Nogle forskere arbejder med at tilføre maskinen kemiske stoffer. Et enkelt kemikalie-molekyle hældes i maskinen, og det får maskinens startmolekyle til at bevæge sig og sætte gang i maskinens følgende bevægelser. Problemet er, at et kemikalie-molekyle kun kan flytte startmolekylet fra dets startpunkt til dets stoppunkt. Når molekylet skal tilbage til startpunktet, skal der tilføres et nyt kemikalie-molekyle, og dette gentager sig i det uendelige. Processen er besværlig, og efter et stykke tid bliver maskinen forurenet og skal renses.
Varme og lys kan også bruges som energi, og så er der den måde, som bruges af forskerne på Syddansk Universitet; De sætter gang i molekylet med spænding: En elektron er nok til at sætte fut i molekylet, så det suser hen mod sit stoppunkt. Når spændingen atter ændres, vil molekylet naturligt søge tilbage til sit startpunkt og være klar til et nyt elektron-skub.
Kontakt: Sissel Stenbæk Andersen. Tlf: 6550 2534. E-mail: sissel@sdu.dk.
Ref: J Am Chem Soc. 2014 Apr 18: Mechanistic Evaluation of Motion in Redox-Driven Rotaxanes Reveals Longer Linkers Hasten Forward Escapes and Hinder Backward Translations. Andersen SS, Share AI, Poulsen BL, Kørner M, Duedal T, Bensor CR, Hansen SW, Jeppesen JO, Flood AH.
Støtte er ydet fra: Villum Fonden, Danish Natural Science Research Council og National Science Foundation (USA).
Flere artikler om molekyleforskning på SDU
Sådan printer man en perfekt løbesko – og får den til at regenerere sig selv om natten