Vier enorme robotarmen omringen de glanzende metalen schaal van wat binnenkort een topklasse auto zal zijn. Ze rukken op in het leven, de motorkap bevestigen, de buitenspiegels, en andere panelen. Het is het soort precisiebewerking dat je tegenwoordig in autofabrieken over de hele wereld kunt vinden. Maar hier is een vraag die het overwegen waard is:zouden we een prestatie als deze kunnen leveren die slechts ongeveer een miljard keer kleiner is?

in 2016, drie pioniers van moleculaire machines werden bekroond met een Nobelprijs. De eerste tranche van moleculaire machines waarvoor ze werden beloond, waren meestal eenvoudige zaken zoals rotors, schakelaars en dergelijke. Nutsvoorzieningen, scheikundigen zoals professor David Leigh aan de Universiteit van Manchester, VK, proberen geavanceerde moleculaire machines te bouwen met verschillende componenten en die nuttige taken kunnen uitvoeren.

Het bouwen van een moleculaire machine is een taak voor elite-chemici, maar de basistrucs van het vak zijn gemakkelijk genoeg te begrijpen. Sommigen van hen omvatten het bouwen van moleculen die mechanisch met elkaar verbonden zijn. Bijvoorbeeld, ze zouden een rotaxaan kunnen bouwen, een ringvormig molecuul dat op een schacht is geschroefd. Verschillende groepen atomen langs de schacht plaatsen en vervolgens hun eigenschappen manipuleren, bijvoorbeeld het geven en wegnemen van een elektrostatische lading kan ertoe leiden dat de ring langs de as beweegt. Dit is het soort eenvoudige component dat zou kunnen worden gebruikt in een meer uitgebreide moleculaire machine.

Biochemische fabriek

Wat voor dingen kunnen we doen met een meer geavanceerde moleculaire machine - of 'nanobots, " zoals sommigen ze noemen? Prof. Leigh is vooral geïnteresseerd in het bouwen van nanobots die fungeren als een chemische assemblagelijn, nieuwe chemicaliën met interessante eigenschappen synthetiseren. Hij is geïnspireerd door het ribosoom, een biochemische fabriek in cellen die eiwitten bouwt. Er zijn eenvoudige bouwstenen nodig die aminozuren worden genoemd, die in slechts 20 verschillende natuurlijke variëteiten verkrijgbaar zijn, en naait ze samen tot lange ketens of polymeren. Afhankelijk van de volgorde van aminozuren, die ketens vouwen zich op tot een reeks biomaterialen, van de keratine waaruit huid en haar bestaat tot de vezels van spieren.

Chemici hebben veel kunstmatige polymeren gemaakt, maar het is buitengewoon moeilijk om de volgorde te controleren waarin de bouwstenen worden samengevoegd. "Sequentiespecifieke polymeren zijn een onopgeloste uitdaging in de chemie, " zei prof. Leigh. Maar hij denkt dat moleculaire machines een oplossing zouden kunnen zijn. Als we moleculaire machines zouden hebben die polymeren kunnen assembleren, ze zouden niet beperkt zijn tot alleen de 20 natuurlijke bouwstenen van aminozuren, dus het resultaat zou een veel breder scala aan materialen kunnen zijn.

Het realiseren van machines die sequentiespecifieke polymeren kunnen maken, is verre van triviaal, zegt scheikundeprofessor Nathalie Katsonis van de Rijksuniversiteit Groningen in Nederland. "Maar ik ben ervan overtuigd dat dit onderzoek een grote rol zal spelen in (de) toekomst van de chemie, en mogelijk ook van materiaalkunde."

Prof. Leigh streeft dit doel na via zijn MOLFACTORY-project, die in 2014 begon. In een belangrijk document in 2017, Prof. Leigh en zijn team lieten zien dat ze een moleculaire robotarm konden bouwen, een vereenvoudigde en veel kleinere versie van degenen die auto's in elkaar zetten. Deze arm grijpt een reactieve chemische stof vast en verplaatst deze naar een van de twee locaties. Afhankelijk van op welke locatie het is geplaatst, de chemische stof reageert op verschillende manieren om verschillende chemische producten te produceren. Verder ontwikkeld, machines zoals deze zouden sequentiespecifieke polymeren kunnen produceren die lijken op de eiwitten die door ribosomen worden geproduceerd. En net zoals verschillende eiwitten kracht kunnen opwekken (spier) of vijf keer sterker zijn dan staal (spinnenzijde), dat zou soortgelijke dingen mogelijk kunnen maken met kunstmatige polymeren zoals een sequentie-specifiek polystyreen.

"David en zijn groep doen fenomenaal creatief werk, " zei professor Raymond Astumian van de Universiteit van Maine in Orono, VS "Niet alleen zijn de moleculaire machines die ze maken van potentieel praktisch gebruik, maar ze zijn ook gericht op het beantwoorden van fundamentele vragen."

Een ander project, genaamd ProgNanoRobot, geleid door Dr. Germán Zango, werkzaam in het laboratorium van Prof. Leigh, geprobeerd om deze productierobot verder te brengen. Het project had een aantal doelstellingen, inclusief het produceren van robotarmen die op een chemische brandstof kunnen werken en een nano-apparaat dat moleculaire lading over lange afstanden op atomaire schaal kan vervoeren.

Het project liep tussen 2019 en maart 2021 en heeft tot nu toe er worden geen resultaten gepubliceerd. Maar Dr. Zango had enkele belangrijke successen. Hij zei dat hij een apparaat produceerde waarin een moleculaire lading van de ene robotarm naar de andere kon worden geproduceerd. het doel van transport over lange afstanden te bereiken.

"Werken aan onderzoek dat ons zou kunnen leiden naar het begin van bruikbare moleculaire nanotechnologie was tegelijkertijd een enorme uitdaging en een opwindende ervaring, " zei dr. Zango.

Triggers

In de nabije toekomst, er zijn verschillende grote uitdagingen die nanobotonderzoek moet overwinnen. Momenteel, het is vaak zo dat moleculaire machines een aantal chemische triggers in een bepaalde serie moeten krijgen om ze aan het werk te krijgen. Als de systemen zouden worden gebruikt om polymeren op grote schaal te produceren, het zou veel afval opleveren. Een deel van Dr. Zango's werk onderzocht het verminderen van het aantal benodigde chemische triggers of het gebruik van licht als trigger. "Een van de meest uitdagende dingen die we probeerden te bereiken, was om een ​​enkele chemische input te gebruiken om een ​​hele bedrijfscyclus van de machine van brandstof te voorzien of om alleen fotoschakelaars te gebruiken, " zei dr. Zango.

Nog een grote uitdaging, zegt prof. Leigh, is foutcorrectie. Machines op nanoschaal zijn duidelijk anders dan robots op menselijke schaal, omdat ze altijd onderhevig zijn aan stochastiek; je kunt een moleculaire machine opzetten om een ​​bepaald werk te doen, maar je kunt er nooit zeker van zijn dat het altijd correct zal werken. Biologie moet met dit probleem worstelen, te. In het menselijk lichaam is er een set moleculaire machines die biomoleculen bouwen en een andere hele set met de specifieke taak om de fouten van de eerste set te vinden en te corrigeren. Prof. Leigh zegt dat op een gegeven moment, kunstmatige moleculaire machines zullen foutcorrectiemechanismen moeten bevatten. Dat soort werk staat nog in de kinderschoenen.

Nog altijd, in oktober 2020, Prof. Leigh en zijn team hebben een belangrijke stap gezet in de richting van een sequentiespecifieke polymeersynthesizer. Ze bouwden een op rotaxaan gebaseerde robot waarin een ring over een baan 'loopt', onderweg moleculen oppikken en samenvoegen. De resultaten voegden slechts vier moleculen samen - een verre schreeuw van de honderden of duizenden in een eiwit - maar het was niettemin een grote stap.

Prof. Leigh zei dat er soms een hype lijkt te bestaan ​​over wat moleculaire machines kunnen doen. Maar hij denkt dat het op de lange termijn gerechtvaardigd zal zijn. "Ik denk echt dat moleculaire machines uiteindelijk een revolutie teweeg zullen brengen in de dingen zoals de industriële revolutie of het internet deden, " zei hij. Maar het zal zeker tijd kosten, hij voegde toe.

Hij geeft toe dat hij nog niets kan doen met een moleculaire machine die niet eenvoudiger op andere manieren kan worden gedaan. Maar als je iets nieuws uitvindt, dat is een beetje te verwachten. "Het lijkt heel erg op de mens uit het stenen tijdperk die een wiel maakt om maïs te malen, " zei prof. Leigh. "Hij weet niet dat er ooit een auto van zal worden gemaakt."