Chemici synthetiseren gewoonlijk moleculen met behulp van stochastische binding-vormende botsingen van de reactantmoleculen in oplossing. De natuur volgt een andere strategie in biochemische synthese. De meeste biochemische reacties worden aangedreven door eiwitcomplexen van het machinetype die de reactieve moleculen binden en positioneren voor selectieve transformaties. Kunstmatige "moleculaire assembleurs" die "mechanosynthese" uitvoeren, zijn voorgesteld als een nieuw paradigma in de chemie en nanofabricage. Een team van chemici van de Universiteit van Kiel (Duitsland) bouwde de eerste kunstmatige assembler, die synthese uitvoert en licht als energiebron gebruikt. Het systeem combineert selectieve binding van de reactanten, nauwkeurige positionering, en actieve vrijgave van het product. De wetenschappers publiceerden hun bevindingen in het tijdschrift Communicatiechemie .

Het idee van moleculaire assembleurs, die moleculen kunnen bouwen, is al in 1986 voorgesteld door K. Eric Drexler, gebaseerd op ideeën van Richard Feynman, Nobelprijswinnaar in de natuurkunde. In zijn boek "Engines of Creation:The Coming Era of Nanotechnology" en vervolgpublicaties stelt Drexler moleculaire machines voor die in staat zijn reactieve moleculen met atomaire precisie te positioneren en grotere, meer geavanceerde structuren via mechanosynthese. Als zo'n moleculaire nanobot een molecuul zou kunnen bouwen, het zou zeker nog een kopie van zichzelf kunnen bouwen, d.w.z. het zou zichzelf kunnen repliceren. Deze fantasierijke visies inspireerden een aantal sciencefictionauteurs, maar begon ook een intensieve wetenschappelijke controverse.

Het probleem van "kleverige vingers"

Het debat culmineerde in een coverstory van Chemical &Engineering News in 2003 met de centrale vraag:"Zijn moleculaire assemblers - apparaten die atomen en moleculen kunnen positioneren voor nauwkeurig gedefinieerde reacties - mogelijk?" Hier bracht Nobelprijswinnaar Richard E. Smalley twee belangrijke bezwaren naar voren:de "dikke vingers" en het "kleverige vingers"-probleem:om elk afzonderlijk atoom te grijpen en te leiden, moet de assembler veel nanovingers hebben. Smalley betoogde dat er gewoon niet genoeg ruimte is in het reactiegebied ter grootte van een nanometer om alle vingers van alle manipulatoren te huisvesten die nodig zijn om volledige controle over de chemie te hebben. Het probleem met de "kleverige vinger" komt voort uit het probleem dat de atomen van de handen van de manipulator zich zullen hechten aan het atoom dat wordt verplaatst. Het zal dus vaak onmogelijk zijn om de bouwsteen precies op de juiste plek vrij te geven. Smalley concludeert dat de problemen met vet en plakkerige vingers fundamenteel zijn en niet kunnen worden vermeden.

Kijken naar de moleculaire assembleurs van de natuur

Echter, in de natuur, talrijke voorbeelden van moleculaire assemblers bestaan, zoals het ribosoom, niet-ribosomale peptidesynthetasen, polyketidesynthasen, en ATP-synthase. "In termen van moleculaire assembleurs kunnen we stellen, als de natuur moleculaire assemblers gebruikt voor synthese, scheikundigen zouden - althans in principe - kunstmatige assembleurs in het laboratorium moeten kunnen bouwen en bedienen", zegt Rainer Herges, hoogleraar Organische Chemie en woordvoerder van het Collaborative Research Center 677 "Function by Switching" aan de Kiel University.

Herges en zijn team hebben nu de eerste kunstmatige assembler gebouwd, die licht als energiebron gebruikt. Kijkend naar moleculaire assembleurs in de natuur probeerden ze hun verfijning en complexiteit systematisch te verminderen tot een niveau, haalbaar met synthetische chemie. De synthese van ATP uit ADP en fosfaat en de niet-ribosomale peptidesynthetasen dienden als toonbeelden.

Fotoschakelbare ligand leidt door een reactie

Ze pakken de reactanten, vier vanadaat-ionen, breng ze dicht bij elkaar en voeg ze samen tot ringen. Door de reactanten te positioneren, een fotoschakelbare ligand leidt de reactanten door een specifiek reactiekanaal, en er wordt een molecuul gevormd dat niet in de uitgangsoplossing aanwezig is. De fotochemische omschakeling van het ligand naar een niet-bindende toestand veroorzaakt ook de afgifte van het product - en lost het probleem van de "kleverige vinger" op. Het onderzoeksteam koos voor UV-licht als externe energiebron omdat het gemakkelijk aan te brengen is en er geen storende bijproducten worden gevormd in tegenstelling tot chemische energiebronnen.

Een paradigmaverschuiving in chemische synthese

Vergelijkbare moleculaire machines, zoals assemblers die aminozuren condenseren tot eiwitten, zouden een paradigmaverschuiving in chemische synthese veroorzaken. Voor de hand liggende voordelen zijn minder bijproducten, enantioselectiviteit, en kortere synthetische routes omdat de mechanosynthese de moleculen in een vooraf gedefinieerd reactiekanaal dwingt. "Bovendien, het ringproduct heeft een hogere energie als uitgangsmateriaal. Met andere woorden, lichtenergie wordt omgezet in chemische energie", benadrukt Herges. "Hoewel mechanosynthese met kunstmatige moleculaire assemblers een enorme uitdaging is, het is de moeite waard om te onderzoeken en zou een nieuwe manier kunnen zijn voor de conversie van lichtenergie."