분자 기계

분자 기계(分子機械, )는 일반적으로 특정 자극에 반응하여 기계적 운동을 생성하도록 고안된 이산적인 수의 분자 구성 요소들의 집합체로 설명되는 분자의 한 종류를 말하며, 스위치 및 모터와 같은 거대분자 장치를 모방한다. 자연적으로 생성되는 생물학적 분자 기계는 DNA 복제 및 ATP 합성과 같은 필수적인 생물학적 과정을 담당한다. 키네신과 리보솜은 분자 기계의 예시이며, 이들은 보통 단백질 복합체의 형태를 취한다. 지난 수십 년 동안 과학자들은 거시적 세계에서 발견되는 기계를 소형화하기 위해 다양한 정도로 성공적인 시도를 해왔다.

인공 분자 기계(AMM)의 첫 번째 예시는 1994년에 보고되었으며, 고리와 두 가지 다른 가능한 결합 부위를 특징으로 하는 로탁세인을 포함한다. 2016년에 노벨 화학상은 분자 기계의 설계 및 합성에 기여한 공로로 장피에르 소바주, 프레이저 스토더트, 베르나르트 페링하에게 수여되었다. 주요 관점은 단일 결합 또는 기하 이성질체 회전과 같이 단백질 내에 존재하는 움직임을 활용하는 것이다. 이안정성 도입을 통해 스위치를 만드는 등 다양한 기능성을 도입하여 여러 AMM이 생산된다. 다양한 특성과 응용 분야를 특징으로 하는 광범위한 AMM이 설계되었으며, 이들 중 일부는 분자 모터, 분자 스위치, 분자 논리 게이트를 포함한다. AMM은 중합체, 액정, 결정 시스템에 통합되어 재료 연구, 균질 촉매 및 표면화학과 같은 다양한 기능을 수행하는 등 광범위한 응용 분야를 보여왔다.

 용어 
여러 정의는 "분자 기계"를 일반적으로 특정 자극에 반응하여 기계적 움직임을 생성하도록 고안된 이산적인 수의 분자 구성 요소들의 집합체로 묘사되는 분자 종류로 설명한다. 이 표현은 단순히 거시적 수준에서 발생하는 기능을 모방하는 분자에도 더 일반적으로 적용된다. 분자가 "분자 기계"로 간주되기 위한 몇 가지 주요 요구 사항은 움직이는 부품의 존재, 에너지를 소비하는 능력, 그리고 작업을 수행하는 능력이다. 분자 기계는 움직임을 생성할 수 있는 다른 자극 반응성 화합물(예: 기하 이성질체)과 비교하여 상대적으로 큰 움직임의 진폭(잠재적으로 화학 반응 때문)과 움직임을 조절하기 위한 명확한 외부 자극의 존재( 브라운 운동과 비교)에서 차이가 있다. 압전기, 자기변형 및 거시적 규모에서 외부 자극으로 인해 움직임을 생성하는 다른 재료는 일반적으로 포함되지 않는다. 왜냐하면 움직임의 분자적 기원에도 불구하고 그 효과는 분자 규모에서 사용될 수 없기 때문이다.

이 정의는 일반적으로 합성 분자 기계에 적용되며, 이들은 역사적으로 자연적으로 발생하는 생물학적 분자 기계("나노 기계"라고도 함)에서 영감을 얻었다. 생물학적 기계는 살아있는 시스템에서 다양한 형태의 에너지를 기계적 일로 전환하여 세포 내 수송, 근수축, ATP 생성 및 세포 분열과 같은 중요한 생물학적 과정을 구동하는 나노 규모의 장치(예: 분자 단백질)로 간주된다.

 역사 

생물학적 분자 기계는 생명 유지에 중요한 역할을 하기 때문에 수십 년 동안 알려지고 연구되어 왔으며, 유사한 유용한 기능성을 가진 인공적으로 설계된 시스템에 영감을 주었다. 1950년대에 복잡한 화학 구조를 분석하기 위한 입체 이성질체 연구인 형태 분석의 출현은 분자 구성 요소 내의 상대적인 움직임을 이해하고 제어하여 추가 응용 분야에 활용하려는 아이디어를 낳았다. 이는 트립티센의 방향족성 고리 회전과 같은 형태 변화를 특징으로 하는 "원형 분자 기계"의 설계로 이어졌다. 1980년까지 과학자들은 외부 자극을 사용하여 원하는 형태를 달성하고 이를 다양한 응용 분야에 활용할 수 있었다. 주요 예시는 아조벤젠 단위를 포함하는 광 반응성 크라운 에터의 설계인데, 이는 빛에 노출되면 시스 및 트랜스 이성질체 사이를 전환하여 에터의 양이온 결합 특성을 조절할 수 있었다. 리처드 파인만은 1959년 그의 기념비적인 강연 바닥에는 풍부한 공간이 있다에서 원자 수준에서 물질을 조작하여 인공적으로 설계된 분자 장치의 아이디어와 응용 분야를 언급했다. 이는 1970년대에 K. 에릭 드렉슬러에 의해 더욱 확증되었으며, 그는 나노 규모의 "조립기"와 같은 분자 나노기술에 기반한 아이디어를 개발했지만 그 실현 가능성은 논란이 있었다.

섬네일|center|upright=3.0|alt=인공 분자 기계(스위치 가능한 분자 셔틀)의 첫 번째 예시. 양전하를 띠는 고리(파란색)는 처음에는 벤지딘 단위(초록색) 위에 위치하지만, 벤지딘이 전기화학적 산화 또는 수소 이온 농도 지수 감소의 결과로 양성자화(보라색)되면 바이페놀 단위(빨간색)로 이동한다.|인공 분자 기계(스위치 가능한 분자 셔틀)의 첫 번째 예시. 양전하를 띠는 고리(파란색)는 처음에는 벤지딘 단위(초록색) 위에 위치하지만, 벤지딘이 전기화학적 산화 또는 수소 이온 농도 지수 감소의 결과로 양성자화(보라색)되면 바이페놀 단위(빨간색)로 이동한다.

이러한 사건들이 이 분야에 영감을 주었지만, 인공 분자 기계(AMM)를 합성하는 실용적인 접근 방식의 실제 돌파구는 1991년 프레이저 스토더트 경이 "분자 셔틀"을 발명하면서 이루어졌다. 1980년대 초 장피에르 소바주가 개발한 카테네인 및 로탁세인과 같은 기계적으로 연결된 분자들의 조립을 기반으로 구축된 이 셔틀은 두 끝 또는 가능한 결합 부위 (하이드로퀴논 단위) 사이의 "축"을 따라 움직일 수 있는 고리를 가진 로탁세인을 특징으로 한다. 이 디자인은 분자 길이를 따라 분자 단위의 잘 정의된 움직임을 처음으로 실현했다. 1994년에는 개선된 디자인을 통해 수소 이온 농도 지수 변화 또는 전기화학적 방법을 통해 고리 움직임을 제어할 수 있게 되어 AMM의 첫 번째 예시가 되었다. 여기서 두 결합 부위는 벤지딘 및 바이페놀 단위이다. 양이온성 고리는 일반적으로 벤지딘 고리 위에 머무르는 것을 선호하지만, 낮은 pH에서 벤지딘이 양성자화되거나 전기화학적으로 산화되면 바이페놀 그룹으로 이동한다. 1998년에는 주사 터널링 현미경을 사용하여 구리 기반 금속 표면에서 데카사이클렌 분자의 회전 운동을 포착하는 연구가 이루어졌다. 다음 10년 동안 다양한 자극에 반응하는 광범위한 AMM이 다양한 응용 분야를 위해 발명되었다. 2016년에는 분자 기계의 설계 및 합성에 기여한 공로로 소바주, 스토더트, 베르나르트 페링하에게 노벨 화학상이 수여되었다.

 인공 분자 기계 

지난 수십 년 동안 AMM은 빠르게 다양화되었고 그 설계 원리, 특성, 및 특성 평가 방법은 더욱 명확하게 설명되었다. AMM 설계의 주요 시작점은 분자 내에 존재하는 기존 운동 방식을 활용하는 것이다. 예를 들어, 단일 결합은 회전 축으로 시각화될 수 있으며, 메탈로센 복합체도 마찬가지이다. 이중 결합을 통합하여 구부러지거나 V자 모양을 만들 수 있으며, 이는 특정 자극(일반적으로 적절한 파장의 방사선)에 반응하여 기하 이성질체를 겪을 수 있다. 이는 스틸벤 및 아조벤젠 단위를 포함하는 수많은 디자인에서 볼 수 있다. 비슷하게, 스피로피란 및 다이아릴에텐에서 볼 수 있는 고리 열림 및 닫힘 반응도 곡선 모양을 생성할 수 있다. 또 다른 일반적인 움직임 방식은 기계적으로 맞물린 분자(주로 카테네인)에서 관찰되는 고리들이 서로 상대적으로 회전하는 것이다. 이 유형의 회전은 분자 자체를 넘어서는 접근이 불가능하지만(고리들이 서로 안에 갇혀 있기 때문에), 로탁세인은 고리들이 아령 모양의 축을 따라 병진 운동을 할 수 있어 이를 극복할 수 있다. 또 다른 AMM 계열은 DNA 및 단백질과 같은 생체 분자를 디자인의 일부로 포함하며, 단백질 접힘 및 풀림과 같은 현상을 활용한다.
섬네일|center|upright=2.0|alt=인공 분자 기계의 일부 간단한 구성 요소에서 볼 수 있는 일반적인 운동 유형. a) 단일 결합 주위와 샌드위치 같은 메탈로센에서의 회전. b) 시스-트랜스 이성질체화로 인한 굽힘. c) 아령 모양의 로탁세인 축(보라색)을 따라 두 개의 가능한 결합 부위(빨간색) 사이에서 고리(파란색)의 병진 운동. d) 카테네인에서 맞물린 고리(파란색 및 빨간색 직사각형으로 묘사됨)의 회전.|인공 분자 기계의 일부 간단한 구성 요소에서 볼 수 있는 일반적인 운동 유형. a) 단일 결합 주위와 샌드위치 같은 메탈로센에서의 회전. b) 시스-트랜스 이성질체화로 인한 굽힘. c) 아령 모양의 로탁세인 축(보라색)을 따라 두 개의 가능한 결합 부위(빨간색) 사이에서 고리(파란색)의 병진 운동. d) 카테네인에서 맞물린 고리(파란색 및 빨간색 직사각형으로 묘사됨)의 회전.

AMM 디자인은 이 분야의 초기부터 크게 다양화되었다. 주요 경로는 이안정성을 도입하여 분자 스위치를 생산하는 것인데, 이는 분자가 전환할 수 있는 두 개의 distinct configuration을 특징으로 한다. 이는 치환되지 않은 사이클로헥세인의 고리 뒤집기와 유사하게, 고리가 선호도 없이 이동할 수 있는 두 개의 동일한 부위로 구성된 원래 분자 셔틀에서 한 단계 발전한 것으로 인식되었다. 만약 이 두 부위가 전자 밀도와 같은 특징 면에서 서로 다르다면, 생물학적 시스템에서와 같이 약하거나 강한 인식 부위가 생길 수 있다. 이러한 AMM은 촉매 반응 및 약물 전달 분야에 응용되었다. 이러한 스위칭 동작은 일반적인 스위치가 원래 상태로 돌아갈 때 손실되는 유용한 작업을 얻기 위해 더욱 최적화되었다.
자연 과정에서 작업을 생성하기 위한 동역학적 제어의 사용에 영감을 받아, 분자 모터는 열역학적 평형에서 벗어나도록 지속적인 에너지 유입을 통해 작업을 전달하도록 설계된다.

현재 분자 기계를 구동하는 데 다양한 에너지원이 사용되지만, AMM 개발 초기에는 그렇지 않았다. AMM의 움직임은 일반적으로 분자에서 볼 수 있는 무작위 열 운동과 관련하여 조절되었지만, 원하는 대로 제어하거나 조작할 수는 없었다. 이로 인해 AMM 설계에 자극 반응성 부분이 추가되어 외부에서 가해지는 비열 에너지원이 분자 운동을 유도하고 그에 따라 특성을 제어할 수 있게 되었다. 화학 에너지(또는 "화학 연료")는 분자들을 다른 상태 사이에서 전환하기 위한 광범위한 가역적 화학 반응(산-염기 반응에 크게 기반함)을 고려할 때 초기에 매력적인 선택이었다. 그러나 이는 생물학적 시스템에서와 같이 기계의 효율성을 유지하기 위해 화학 연료의 공급과 생성된 폐기물의 제거를 실질적으로 조절하는 문제에 직면한다. 일부 AMM은 이를 우회하는 방법을 찾았지만, 최근에는 전자전달 또는 이성질체화에 기반한 폐기물 없는 반응(예: 비올로겐)이 주목을 받고 있다. 결국, 여러 가지 다른 형태의 에너지(전기, 자기, 광학 등)이 AMM에 동력을 공급하는 주요 에너지원이 되었으며, 심지어 빛으로 구동되는 모터와 같은 자율 시스템도 생산하고 있다.

 유형 
아래에는 다양한 AMM이 지시 이미지와 함께 표로 정리되어 있다.

 유형  세부 정보  이미지분자 저울수소 결합, 용매 거부 또는 소수성 효과, π 결합, 입체 및 분산 상호작용과 같은 여러 분자 내 및 분자 간 구동력의 역학에 반응하여 두 개 이상의 형태적 또는 구성적 상태 사이를 상호 변환할 수 있는 분자이다. 분자 저울의 서로 다른 형태들은 동일한 분자와 다른 상호작용을 보일 수 있으므로, 형태들의 비율과 이러한 상호작용을 위한 에너지를 분석하면 다양한 특성(예: CH-π 또는 아렌-아렌 상호작용, 이미지 참조)을 정량화할 수 있다.frameless|alt=분자 저울의 예시분자 힌지분자 힌지는 일반적으로 크랭크 (기계)와 같은 움직임으로 이중 결합 또는 방향족 고리 주위를 회전하여 가역적 구성 사이를 전환할 수 있는 분자이다. 이러한 구성은 구별 가능한 기하학적 구조를 가져야 한다. 예를 들어, 선형 분자의 아조벤젠 그룹은 자외선에 노출될 때 기하 이성질체를 겪을 수 있으며, 구부러지거나 V자 모양의 형태로 가역적 전환을 유발한다(이미지 참조). 분자 힌지는 핵산 염기 인식, 펩타이드 변형, 및 분자 운동 시각화와 같은 응용 분야에 적용되었다.frameless|alt=이중 결합 주위에서 시스-트랜스 이성질체화를 겪을 수 있는 분자 힌지의 예시분자 논리 게이트하나 이상의 논리 입력을 통해 논리 연산을 수행하고 단일 논리 출력을 생성하는 분자이다. 논리 회로를 모델로 한 이 분자들은 서서히 기존의 실리콘 기반 기계를 대체하고 있다. 수질 검사, 식품 안전 검사, 금속 이온 감지, 제약 연구 등 여러 응용 분야가 등장했다. 분자 논리 게이트의 첫 번째 예시는 1993년에 보고되었으며, 양성자와 나트륨 이온의 농도를 입력으로 간주할 때 방출 강도를 조정 가능한 출력으로 취급할 수 있는 수용체(이미지 참조)를 특징으로 한다.frameless|alt=처음 보고된 분자 논리 게이트분자 모터단일 또는 이중 결합 주위로 방향성 회전 운동을 할 수 있고 그 결과로 유용한 작업을 생산하는 분자이다(이미지에 묘사됨). 탄소 나노튜브 나노모터도 생산되었다. 단일 결합 회전 모터는 일반적으로 화학 반응에 의해 활성화되는 반면, 이중 결합 회전 모터는 일반적으로 빛에 의해 구동된다. 모터의 회전 속도는 정밀한 분자 설계를 통해 조절할 수도 있다.frameless|alt=나노 기공(외경 6.7 nm)에서 250K의 세 분자로 구성된 합성 분자 로터의 분자 역학 시뮬레이션분자 목걸이목걸이 모양으로 적어도 세 개의 작은 고리를 연결하는 큰 고리형 백본으로 구성된 기계적으로 맞물린 분자들의 한 종류이다(예시는 이미지 참조). n-1개의 고리(따라서 n개의 고리 포함)에 의해 관통된 큰 고리형으로 구성된 분자 목걸이는 [n]MN으로 표현된다. 최초의 분자 목걸이는 1992년에 합성되었으며, 단일 폴리에틸렌 글리콜 사슬 백본에 여러 알파cd를 특징으로 한다. 저자들은 이를 스토더트와 동료들이 같은 시기에 제안한 "분자 주판"의 아이디어와 연결했다. 이러한 분자들은 항생제 활성, 연료의 탈황, 및 압전기와 같은 몇 가지 흥미로운 응용 분야가 나타났다.frameless|alt=분자 목걸이의 예시분자 프로펠러거시적 프로펠러와 유사하게 설계된 특수 모양으로 인해 회전할 때 유체를 추진할 수 있는 분자이다(오른쪽 개략도 이미지 참조). 나노 규모 샤프트 둘레에 특정 피치 각도로 부착된 여러 분자 규모 블레이드를 가지고 있다. 프로펠러는 친수성 및 소수성 유체에 대한 펌핑 속도 변화와 같은 흥미로운 특성을 보이는 것으로 나타났다.frameless|alt=소수성 표면으로 인해 물 분자를 펌핑하는 분자 프로펠러의 예시분자 셔틀분자나 이온을 한 위치에서 다른 위치로 이동시킬 수 있는 분자이다. 이는 오른쪽 이미지에 도식적으로 묘사되어 있는데, 녹색의 고리가 파란색 거대 고리 백본의 노란색 부위 중 하나에 결합할 수 있다. 일반적인 분자 셔틀은 거대 고리가 아령 모양의 백본을 따라 두 개의 부위 또는 스테이션 사이를 이동할 수 있는 로탁세인으로 구성된다. 각 부위의 특성을 제어하고 pH와 같은 조건을 조절함으로써 어떤 부위를 결합할지 제어할 수 있다. 이는 촉매 반응 및 약물 전달 분야에서 새로운 응용을 가져왔다.frameless|alt=로탁세인 기반 분자 셔틀의 예시분자 스위치특정 자극에 반응하여 두 개 이상의 안정적인 상태 사이를 가역적으로 전환할 수 있는 분자이다. 이러한 상태 변화는 분자가 현재 차지하는 상태에 따라 분자의 특성에 영향을 미친다. 분자 모터와 달리, 스위치의 움직임으로 인해 수행된 기계적 작업은 일반적으로 분자가 원래 상태로 돌아갈 때, 더 큰 모터와 같은 시스템의 일부가 아닌 한 되돌려진다. 오른쪽 이미지는 pH 변화에 반응하여 전환되는 히드라존 기반 스위치를 보여준다.frameless|alt=분자 스위치의 예시분자 족집게두 팔 사이에 물체를 잡을 수 있는 호스트 분자이다. 분자 족집게의 열린 공동은 수소 결합, 금속 배위, 소수성 힘, 반데르발스 힘, π 상호작용 또는 정전기 효과를 포함하는 비공유 결합을 사용하여 물체를 결합한다. 예를 들어, 오른쪽 이미지는 코란눌렌 집게가 C60 풀러렌 분자를 움켜쥐고 있는 족집게를 묘사하며, 이를 "버키캐처(buckycatcher)"라고 부른다. DNA로 구성되고 DNA 기계로 간주되는 분자 족집게의 예시가 보고되었다.frameless|alt=풀러렌과 결합하는 분자 족집게의 예시나노카거시적 자동차와 유사하며 표면에서 분자 확산을 제어하는 방법을 이해하는 데 중요한 단일 분자 차량이다. 오른쪽 이미지는 풀러렌 분자로 만들어진 바퀴를 가진 예시를 보여준다. 최초의 나노카는 2005년 제임스 투어에 의해 합성되었다. 이들은 H자형 섀시와 네 모서리에 부착된 4개의 분자 바퀴(풀러렌)를 가지고 있었다. 2011년 페링하와 동료들은 회전하는 바퀴로 섀시에 분자 모터를 부착한 최초의 전동 나노카를 합성했다. 저자들은 주사 터널링 현미경 팁에서 에너지를 공급하여 구리 표면에서 나노카의 방향성 움직임을 시연할 수 있었다. 이후 2017년에는 세계 최초의 나노카 경주가 툴루즈에서 열렸다.frameless|alt=C60 풀러렌을 바퀴로 하는 나노카

 생물학적 분자 기계 

섬네일|300px|단백질 번역의 신장 및 막 표적화 단계를 수행하는 리보솜. 리보솜은 녹색과 노란색이고, tRNA는 진한 파란색이며, 관련된 다른 단백질은 연한 파란색이다. 생성된 펩타이드는 소포체로 방출된다. 이제 중성자 스핀 에코 분광법으로 단백질 도메인 동역학을 볼 수 있다.
많은 거대 분자 기계는 세포 내에 존재하며, 종종 단백질 복합체 형태를 취한다. 생물학적 기계의 예로는 근육 수축을 담당하는 미오신과 같은 운동 단백질, 미세소관을 따라 세포핵에서 멀리 세포 내 화물을 이동시키는 키네신, 그리고 핵으로 향하는 세포 내 화물을 이동시키고 운동 섬모와 편모의 축삭성 박동을 생성하는 디네인이 있다. "[사실상, [운동 섬모]는 분자 복합체 내에 600개 이상의 단백질로 구성된 나노 기계이며, 이들 중 다수는 독립적으로 나노 기계로도 기능한다. ... 유연한 링커는 이들에 의해 연결된 이동 가능한 단백질 도메인이 결합 파트너를 모집하고 단백질 도메인 동역학을 통해 장거리 다른 자리 입체성 조절을 유도하도록 허용한다." 다른 생물학적 기계는 에너지 생산을 담당한다. 예를 들어, ATP 생성효소는 막을 가로지르는 양성자 기울기에서 에너지를 활용하여 세포의 에너지 통화인 ATP를 합성하는 데 사용되는 터빈과 같은 움직임을 구동한다. 또 다른 기계는 DNA 복제를 위한 DNA 중합효소, mRNA 생성을 위한 RNA 중합효소, 인트론 제거를 위한 스플라이소좀, 그리고 단백질 합성을 위한 리보솜을 포함하여 유전자 발현을 담당한다. 이러한 기계와 그 나노 규모 동역학은 지금까지 인공적으로 구성된 어떤 분자 기계보다 훨씬 더 복잡하다.

생물학적 기계는 나노의학에 잠재적인 응용 분야를 가지고 있다. 예를 들어, 암세포를 식별하고 파괴하는 데 사용될 수 있다. 분자 나노기술은 분자 또는 원자 규모에서 물질을 재정렬할 수 있는 생물학적 기계인 분자 조립기를 공학적으로 만들 가능성에 대한 미래학 분야의 speculative 하위 분야이다. 나노의학은 이러한 나노봇을 체내에 도입하여 손상 및 감염을 수리하거나 감지하는 데 사용할 것이지만, 이는 현재의 능력을 훨씬 뛰어넘는 것으로 간주된다.

 연구 및 응용 
이 분야의 발전은 합성 방법의 부족으로 인해 저해되고 있다. 이러한 맥락에서 이론적 모델링은 이러한 시스템에서 자기조립 또는 해체 과정을 이해하는 데 중요한 도구로 부상했다.

AMM은 중합체, 액정, 및 결정 시스템에 통합된 것을 포함하여 다양한 기능에 대한 가능한 응용이 시연되었다. 균질 촉매는 특히 비대칭 합성과 같은 분야에서 비공유 상호작용 및 생체 모방 다른 자리 입체성 조절 촉매 작용을 활용하는 중요한 예시이다. AMM은 3차원 인쇄에서 약물 전달에 이르는 다양한 응용 분야를 위한 2D 및 3D 자기 조립 재료 및 나노입자 기반 시스템과 같은 여러 자극 반응성 스마트 재료의 설계에 중추적인 역할을 해왔다.

AMM은 점차 기존의 용액상 화학에서 표면 및 계면으로 이동하고 있다. 예를 들어, AMM 고정 표면(AMMIS)은 무기 표면에 부착되어 자기 조립 단분자막과 같은 특징을 형성하는 AMM으로 구성된 새로운 종류의 기능성 재료이다. 이는 형광, 응집 및 약물 방출 활성과 같은 조정 가능한 특성을 유발한다.

이러한 "응용"의 대부분은 개념 증명 수준에 머물러 있다. 거시적 응용을 간소화하는 데 있어서의 과제는 자율 작동, 기계의 복잡성, 기계 합성의 안정성 및 작동 조건 등을 포함한다.

 같이 보기 
 초분자화학
 테크노유기
 리보솜

 각주 


분류:나노기술
분류:초분자화학