Natuurkundigen van de Universiteit van Münster zijn de eersten die de dynamische interactie van een klasse kunstmatige moleculaire machines - de zogenaamde moleculaire shuttles - met succes hebben onthuld met behulp van moleculair-dynamische simulaties. De studie is nu gepubliceerd in Science Advances .

Moleculaire machines sturen een aanzienlijk aantal fundamentele processen in de natuur aan. Deze processen, ingebed in een cellulaire omgeving, spelen een centrale rol bij het intracellulaire en intercellulaire transport van moleculen, evenals bij spiercontractie bij mens en dier. Om het hele organisme te laten functioneren, is een goed gedefinieerde oriëntatie en opstelling van de moleculaire machines essentieel. De specifieke inbedding van motoreiwitten - die een klasse van biomoleculaire machines vormen - maakt bijvoorbeeld een dynamische interactie mogelijk tussen de talloze eiwitten. Hierdoor wordt beweging op moleculair niveau versterkt en door verschillende grootheden overgedragen tot op macroscopisch niveau.

Geïnspireerd door deze biologische systemen is de ontwikkeling van celachtige materialen op basis van kunstmatige moleculaire machines een actueel onderzoeksgebied. Om de moleculaire coöperativiteit van deze machines in overeenkomstige materialen specifiek voor toepassingen in materiaalkunde of geneeskunde te gebruiken, is een gedetailleerd begrip van zowel de moleculaire inbedding in een matrix als van de intermoleculaire interacties doorslaggevend. Elena Kolodzeiski en Dr. Saeed Amirjalayer van het Instituut voor Natuurkunde van de Universiteit van Münster zijn de eersten die met succes de dynamische interactie van een klasse van kunstmatige moleculaire machines - de zogenaamde moleculaire shuttles - hebben onthuld met behulp van moleculair-dynamische simulaties.

Moleculaire shuttles zijn opgebouwd uit halter- en ringvormige moleculen die door mechanische bindingen met elkaar verbonden zijn. "Deze mechanische link op moleculair niveau leidt ertoe dat de ring gericht van de ene naar de andere kant langs de as kan bewegen. Deze specifieke slingerbeweging is al gebruikt om moleculaire machines te ontwikkelen", legt Amirjalayer uit, die het onderzoek leidde en onlangs verhuisde naar het Instituut voor Solid-State Theory aan de Universiteit van Münster.

Op basis hiervan werken onderzoekers wereldwijd aan een gerichte inzet van deze moleculaire machines in functionele materialen. Metaal-organische raamwerken, die modulair worden samengesteld door organische en anorganische bouweenheden, blijken een veelbelovende matrix te zijn voor het inbedden van deze mechanisch onderling verbonden moleculen in celachtige structuren. Hoewel een reeks van deze systemen de afgelopen jaren zijn gesynthetiseerd, ontbrak het meestal aan een fundamenteel begrip van de dynamische processen in deze materialen.

"Onze studie geeft een gedetailleerd inzicht in hoe embedded machines functioneren en met elkaar omgaan", zegt hoofdauteur Elena Kolodzeiski. "Tegelijkertijd konden we parameters afleiden die het mogelijk maken om het type beweging van de moleculaire shuttles binnen de metaal-organische kaders te variëren."

Een gerichte sturing van de dynamiek biedt kansrijke mogelijkheden om de transporteigenschappen van moleculen in membranen te beïnvloeden of om katalytische processen te coördineren. De onderzoekers hopen dat hun moleculaire dynamische simulaties de basis zullen vormen voor nieuwe soorten materialen voor katalytische en medische toepassingen. Hoe efficiënt zulke materialen kunnen zijn, blijkt uit de verschillende functionaliteiten van de moleculaire machines in biologische cellen. + Verder verkennen

Onderzoekers maken een fotografische film van een moleculaire schakelaar