Het leven wordt aangedreven door moleculaire machines. Gevonden in elke cel, deze kleine motoren zetten chemische energie om in werk om het lichaam in beweging te houden. De uitvinding van synthetische moleculaire machines, die soortgelijke taken uitvoeren als geminiaturiseerde technologieën, is een hot topic in de nanowetenschap.

Nutsvoorzieningen, een team onder leiding van de Universiteit van Osaka heeft een ratelachtige moleculaire machine uitgevonden - een potentieel onderdeel van geavanceerde moleculaire apparaten - die slechts in één richting kan bewegen. Hierdoor kunnen de beweging en chemische reactiviteit van een moleculaire machine tegelijkertijd worden waargenomen, wat al lang een uitdaging is.

Een klassiek ontwerp voor moleculaire machines is een symmetrische "halter" - een groot cyclisch molecuul in het midden, opgesloten tussen omvangrijke blokkers aan elk uiteinde, verbonden door een afstandhouder. Geïnspireerd door dit patroon (bekend als rotaxaan), het Osaka-team creëerde een pseudo-rotaxaan, waarbij alle drie de delen - de twee blokkers ("stations") en de centrale cyclus - kleine ringen zijn. De studie werd gerapporteerd in Wetenschappelijke rapporten .

Beide stations van hun moleculaire machine zijn gemaakt van pyridinium, een zesledige cyclus. Aan elk station zijn methylgroepen (CH3) bevestigd, als haken met weerhaken. Echter, één station draagt ​​een enkele methylgroep, terwijl het andere uiteinde er twee heeft.

"Deze asymmetrie zet een as op langs de lengte van het molecuul, het bevorderen van beweging naar het dubbelgehaakte uiteinde, die werkt als een stop, " studie eerste auteur Akihito Hashidzume zegt.

Het concept werd gedemonstreerd met behulp van α-cyclodextrine (α-CD), een macrocyclus gemaakt van zes glucoseringen. De α-CD-ring is breed genoeg om over het uiteinde met één haak te passen en langs de ratel naar de stop te schuiven. Onderweg, het interageert met de stations en de centrale ring. In feite, α-CD katalyseert een chemische reactie waarbij het ratelachtige molecuul waterstofatomen uitwisselt met het wateroplosmiddel.

Etiketteringsexperimenten bevestigden dat deze uitwisseling slechts aan één uiteinde van de ratel plaatsvond. Wanneer de reactie werd uitgevoerd in zwaar water (D2O), deuterium (D)-atomen werden gevonden op de methylgroepen van het station met één haak en de centrale ring, evenals op het methyleen van het tweede station, maar niet de tweehaakse stop. Het lijkt erop dat de α-CD over de centrale ring ging, maar werd geblokkeerd om de methylgroepen van de stop te bereiken.

"Hier hebben we een chemische reactie gekoppeld aan beweging die in één richting is voorgespannen, ' zegt corresponderende auteur Akira Harada. 'We noemen het 'face-selectieve vertaling, ' omdat α-CD er de voorkeur aan geeft van het ene gezicht van pseudo-rotaxaan naar het andere te gaan. We nemen ons voorbeeld aan de natuur:door beweging in één richting te ratelen, we hopen chemische energie op een vergelijkbare manier te gebruiken als biomoleculaire motoren, zoals die in spieren."