Μοριακή μηχανή

Μια μοριακή μηχανή, νανίτης ή νανομηχανή είναι ένα μοριακό συστατικό που παράγει οιονεί μηχανικές κινήσεις (έξοδος) ως απόκριση σε συγκεκριμένα ερεθίσματα (είσοδος). Στην κυτταρική βιολογία, οι μακρομοριακές μηχανές εκτελούν συχνά εργασίες απαραίτητες για τη ζωή, όπως η αντιγραφή του DNA και η σύνθεση του ΑΤΡ. Η έκφραση εφαρμόζεται συχνά γενικότερα σε μόρια που απλώς μιμούνται λειτουργίες που συμβαίνουν σε μακροσκοπικό επίπεδο. Ο όρος είναι επίσης συνηθισμένος στη νανοτεχνολογία, όπου έχουν προταθεί διάφορες εξαιρετικά πολύπλοκες μοριακές μηχανές που αποσκοπούν στην κατασκευή ενός μοριακού συναρμολογητή.

Η κινεζίνη που βαδίζει πάνω σε ένα μικροσωληνίσκο είναι μια μοριακή βιολογική μηχανή που χρησιμοποιεί τη δυναμική των πρωτεϊνικών περιοχών σε νανοκλίμακα
Τις τελευταίες δεκαετίες, τόσο οι χημικοί όσο και οι φυσικοί έχουν προσπαθήσει, με διαφορετικό βαθμό επιτυχίας, να σμικρύνουν τις μηχανές που βρίσκονται στον μακροσκοπικό κόσμο. Οι μοριακές μηχανές βρίσκονται στην πρώτη γραμμή της έρευνας της κυτταρικής βιολογίας. Το Νόμπελ Χημείας του 2016 απονεμήθηκε στους Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart και Bernard L. Feringa για τον σχεδιασμό και τη σύνθεση μοριακών μηχανών.

Τύπος 

Οι μοριακές μηχανές μπορούν να χωριστούν σε δύο μεγάλες κατηγορίες: τεχνητές και βιολογικές. Γενικά, οι τεχνητές μοριακές μηχανές (ΑΜΜ) αναφέρονται σε μόρια που σχεδιάζονται και συντίθενται τεχνητά, ενώ οι βιολογικές μοριακές μηχανές βρίσκονται συνήθως στη φύση και έχουν εξελιχθεί στις μορφές τους μετά την αβιογένεση στη Γη.

Τεχνητές 

Μια μεγάλη ποικιλία τεχνητών μοριακών μηχανών (ΑΜΜ) έχει συντεθεί από χημικούς, οι οποίες είναι μάλλον απλές και μικρές σε σύγκριση με τις βιολογικές μοριακές μηχανές. Η πρώτη ΑΜΜ, μια μοριακή άκατος, συντέθηκε από τον Sir J. Fraser Stoddart. Μια μοριακή άκατος είναι ένα μόριο ροταξάνης όπου ένας δακτύλιος είναι μηχανικά συνδεδεμένος πάνω σε έναν άξονα με δύο ογκώδη πώματα. Ο δακτύλιος μπορεί να μετακινηθεί μεταξύ δύο θέσεων πρόσδεσης με διάφορα ερεθίσματα όπως το φως, το pH, οι διαλύτες και τα ιόντα. Όπως σημείωσαν οι συγγραφείς αυτής της δημοσίευσης του 1991 στην JACS: "Στο βαθμό που καθίσταται δυνατός ο έλεγχος της κίνησης του ενός μοριακού συστατικού σε σχέση με το άλλο σε ένα ροταξάνι, θα προκύψει η τεχνολογία για την κατασκευή μοριακών μηχανών", οι μηχανικά αλληλοσυνδεόμενες μοριακές αρχιτεκτονικές πρωτοστάτησαν στο σχεδιασμό και τη σύνθεση ΑΜΜ καθώς παρέχουν κατευθυνόμενη μοριακή κίνηση. Σήµερα υπάρχει µια µεγάλη ποικιλία ΑΜΜ, όπως αναφέρεται παρακάτω.

Μοριακές μηχανές 

Οι μοριακοί κινητήρες είναι μόρια ικανά για κατευθυνόμενη περιστροφική κίνηση γύρω από έναν απλό ή διπλό δεσμό. Οι περιστροφικοί κινητήρες μονού δεσμού ενεργοποιούνται γενικά με χημικές αντιδράσεις, ενώ οι περιστροφικοί κινητήρες διπλού δεσμού τροφοδοτούνται γενικά από το φως. Η ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα μπορεί επίσης να ρυθμιστεί με προσεκτικό μοριακό σχεδιασμό. Έχουν επίσης παραχθεί νανοκινητήρες νανοσωλήνων άνθρακα.

Μοριακή έλικα 

Ένας μοριακός έλικας είναι ένα μόριο που μπορεί να κινεί ρευστά όταν περιστρέφεται, λόγω του ειδικού του σχήματος που έχει σχεδιαστεί κατ' αναλογία με τους μακροσκοπικούς έλικες. Διαθέτει πολλά πτερύγια μοριακής κλίμακας προσαρτημένα σε ορισμένη γωνία βήματος γύρω από την περιφέρεια ενός άξονα νανοκλίμακας. Βλέπε επίσης μοριακό γυροσκόπιο.

Μοριακός διακόπτης 

Ο μοριακός διακόπτης είναι ένα μόριο που μπορεί να μετατοπιστεί αντιστρεπτά μεταξύ δύο ή περισσότερων σταθερών καταστάσεων. Τα μόρια μπορούν να μετατοπιστούν μεταξύ των καταστάσεων σε απόκριση σε αλλαγές του pH, του φωτός (φωτοδιακόπτης), της θερμοκρασίας, ενός ηλεκτρικού ρεύματος, του μικροπεριβάλλοντος ή της παρουσίας ενός ligand.

Μοριακή μετακίνηση 

Μια μοριακή άκατο είναι ένα μόριο ικανό να μεταφέρει μόρια ή ιόντα από μια θέση σε μια άλλη. Μια κοινή μοριακή άκατος αποτελείται από ένα ροταξάνιο, όπου ο μακροκύκλος μπορεί να μετακινηθεί μεταξύ δύο θέσεων ή σταθμών κατά μήκος της ραχοκοκαλιάς του δακτυλίου.

Nanocar 

Τα νανοαυτοκίνητα είναι μονομοριακά οχήματα που μοιάζουν με μακροσκοπικά αυτοκίνητα και είναι σημαντικά για την κατανόηση του τρόπου ελέγχου της μοριακής διάχυσης σε επιφάνειες. Τα πρώτα νανοαυτοκίνητα συντέθηκαν από τον James M. Tour το 2005. Είχαν ένα σασί σε σχήμα H και 4 μοριακούς τροχούς (φουλερένια) προσαρτημένους στις τέσσερις γωνίες. Το 2011, ο Ben Feringa και οι συνεργάτες του συνέθεσαν το πρώτο μηχανοκίνητο νανοαυτοκίνητο το οποίο είχε μοριακούς κινητήρες προσαρτημένους στο πλαίσιο ως περιστρεφόμενους τροχούς. Οι συγγραφείς μπόρεσαν να επιδείξουν την κατευθυνόμενη κίνηση του νανοαυτοκινήτου σε μια επιφάνεια χαλκού παρέχοντας ενέργεια από μια άκρη μικροσκοπίου σάρωσης σήραγγας. Αργότερα, το 2017, πραγματοποιήθηκε στην Τουλούζη ο πρώτος αγώνας Nanocar Race στον κόσμο.

Μοριακή ισορροπία 

Μια μοριακή ισορροπία είναι ένα μόριο που μπορεί να μεταστρέφεται μεταξύ δύο και περισσότερων διαμορφωτικών ή διαμορφωτικών καταστάσεων ως απόκριση στη δυναμική πολλαπλών ενδο- και διαμοριακών κινητήριων δυνάμεων, όπως οι δεσμοί υδρογόνου, τα διαλυτοφοβικά/υδρόφοβα φαινόμενα, οι π αλληλεπιδράσεις και οι στερικές αλληλεπιδράσεις και οι αλληλεπιδράσεις διασποράς. Οι μοριακές ισορροπίες μπορεί να είναι μικρά μόρια ή μακρομόρια όπως οι πρωτεΐνες. Οι συνεργατικά διπλωμένες πρωτεΐνες, για παράδειγμα, έχουν χρησιμοποιηθεί ως μοριακά ισοζύγια για τη μέτρηση των ενεργειών αλληλεπίδρασης και των τάσεων διαμόρφωσης.

Μοριακές λαβίδες 

Οι μοριακές λαβίδες είναι μόρια ξενιστές ικανά να συγκρατούν αντικείμενα μεταξύ των δύο βραχιόνων τους. Η ανοικτή κοιλότητα της μοριακής λαβίδας δεσμεύει αντικείμενα χρησιμοποιώντας μη ομοιοπολικούς δεσμούς, όπως δεσμούς υδρογόνου, συντονισμό μετάλλων, υδρόφοβες δυνάμεις, δυνάμεις van der Waals, αλληλεπιδράσεις π ή ηλεκτροστατικές επιδράσεις. Έχουν αναφερθεί παραδείγματα μοριακών τσιμπίδων που έχουν κατασκευαστεί από DNA και θεωρούνται μηχανές DNA.

Μοριακός αισθητήρας 

Ένας μοριακός αισθητήρας είναι ένα μόριο που αλληλεπιδρά με έναν αναλύτη για να προκαλέσει μια ανιχνεύσιμη αλλαγή. Οι μοριακοί αισθητήρες συνδυάζουν τη μοριακή αναγνώριση με κάποια μορφή αναφοράς, ώστε να μπορεί να παρατηρηθεί η παρουσία του στοιχείου.

Μοριακή λογική πύλη 

Μια μοριακή λογική πύλη είναι ένα μόριο που εκτελεί μια λογική πράξη σε μία ή περισσότερες λογικές εισόδους και παράγει μια ενιαία λογική έξοδο. Σε αντίθεση με έναν μοριακό αισθητήρα, η μοριακή λογική πύλη θα δώσει έξοδο μόνο όταν υπάρχει ένας συγκεκριμένος συνδυασμός εισόδων.

Μοριακός συναρμολογητής 

Ο μοριακός συναρμολογητής είναι μια μοριακή μηχανή ικανή να καθοδηγεί χημικές αντιδράσεις τοποθετώντας αντιδρώντα μόρια με ακρίβεια.

Μοριακή άρθρωση 

Ένας μοριακός μεντεσές είναι ένα μόριο που μπορεί να μεταβεί επιλεκτικά από τη μία διαμόρφωση στην άλλη με αντιστρεπτό τρόπο. Τέτοιες διαμορφώσεις πρέπει να έχουν διακριτές γεωμετρίες- για παράδειγμα, οι ομάδες αζοβενζολίου σε ένα γραμμικό μόριο μπορούν να υποστούν cis-trans ισομερισμούς όταν ακτινοβοληθούν με υπεριώδες φως, προκαλώντας μια αντιστρεπτή μετάβαση σε μια καμπύλη διαμόρφωση ή διαμόρφωση σχήματος V. Οι μοριακές αρθρώσεις συνήθως περιστρέφονται με μια κίνηση που μοιάζει με στρόφαλο γύρω από έναν άκαμπτο άξονα, όπως ένας διπλός δεσμός ή ένας αρωματικός δακτύλιος. Ωστόσο, έχουν επίσης συντεθεί μακροκυκλικές μοριακές αρθρώσεις με μηχανισμούς που μοιάζουν περισσότερο με σφιγκτήρες.

Βιολογικές 

Αυτές οι βιολογικές μηχανές θα μπορούσαν να έχουν εφαρμογές στη νανοϊατρική. Για παράδειγμα, θα μπορούσαν να χρησιμοποιηθούν για τον εντοπισμό και την καταστροφή καρκινικών κυττάρων. Η μοριακή νανοτεχνολογία είναι ένα εικαστικό υποπεδίο της νανοτεχνολογίας σχετικά με τη δυνατότητα μηχανικής κατασκευής μοριακών συναρμολογητών, βιολογικών μηχανών που θα μπορούσαν να αναδιατάξουν την ύλη σε μοριακή ή ατομική κλίμακα. Η νανοϊατρική θα χρησιμοποιούσε αυτά τα νανορομπότ, που εισάγονται στο σώμα, για την επιδιόρθωση ή την ανίχνευση βλαβών και λοιμώξεων. Η μοριακή νανοτεχνολογία είναι σε μεγάλο βαθμό θεωρητική, επιδιώκοντας να προβλέψει τις εφευρέσεις που θα μπορούσε να αποφέρει η νανοτεχνολογία και να προτείνει μια ατζέντα για τη μελλοντική έρευνα. Τα προτεινόμενα στοιχεία της μοριακής νανοτεχνολογίας, όπως οι μοριακοί συναρμολογητές και τα νανορομπότ, υπερβαίνουν κατά πολύ τις σημερινές δυνατότητες.

Έρευνα 

Η κατασκευή πιο πολύπλοκων μοριακών μηχανών αποτελεί ενεργό πεδίο θεωρητικής και πειραματικής έρευνας. Ένας αριθμός μορίων, όπως οι μοριακές προπέλες, έχουν σχεδιαστεί, αν και οι πειραματικές μελέτες αυτών των μορίων εμποδίζονται από την έλλειψη μεθόδων για την κατασκευή αυτών των μορίων. Σε αυτό το πλαίσιο, η θεωρητική μοντελοποίηση μπορεί να είναι εξαιρετικά χρήσιμη για την κατανόηση των διαδικασιών αυτοσυναρμολόγησης/αποσυναρμολόγησης των ροταξάνων, που είναι σημαντικές για την κατασκευή μοριακών μηχανών που κινούνται με φως. Αυτή η γνώση σε μοριακό επίπεδο μπορεί να προωθήσει την υλοποίηση όλο και πιο πολύπλοκων, ευέλικτων και αποτελεσματικών μοριακών μηχανών για τους τομείς της νανοτεχνολογίας, συμπεριλαμβανομένων των μοριακών συναρμολογητών.

Αν και επί του παρόντος δεν είναι εφικτό, ορισμένες πιθανές εφαρμογές των μοριακών μηχανών είναι η μεταφορά σε μοριακό επίπεδο, ο χειρισμός νανοδομών και χημικών συστημάτων, η υψηλής πυκνότητας επεξεργασία πληροφοριών σε στερεά κατάσταση και η μοριακή προσθετική. Πολλές θεμελιώδεις προκλήσεις πρέπει να ξεπεραστούν προτού οι μοριακές μηχανές χρησιμοποιηθούν πρακτικά, όπως η αυτόνομη λειτουργία, η πολυπλοκότητα των μηχανών, η σταθερότητα στη σύνθεση των μηχανών και οι συνθήκες εργασίας.

Παραπομπές

Εξωτερικοί σύνδεσμοι
 Minatec
 Site sur les nanosystèmes étudiés à l’IMEP, Grenoble  
 Nanoquebec 
  Site de NanoHive@Home.

Νανοτεχνολογία
Συσκευές εργαστηρίου
Αναδυόμενες τεχνολογίες