Tworzenie pierwszych syntetycznych robotów molekularnych o napędzie chemicznym
Dziwną cechą materii jest fakt, że zachowuje się ona różnie w zależności od rozmiaru. Przedmioty codziennego użytku w naszym „makro”-świecie nie poruszają się, jeżeli nie działa na nie siła fizyczna. Tymczasem wszystkie obiekty o rozmiarach cząsteczek i atomy, z których się składają, pozostają w nieustannym losowym ruchu. Projekt MolMacIP, finansowany przez Europejską Radę ds. Badań Naukowych(odnośnik otworzy się w nowym oknie), został zainspirowany rosnącym konsensusem wśród chemików — zamiast naśladować makroskopowe maszyny (co doprowadziło do Nagrody Nobla w 2016 r.), należy opracować nowe techniki specyficzne dla nanoskali, inspirowane biologią. Nie tylko pomogłoby to nam lepiej zrozumieć, jak działa biologia, otworzyłoby również drzwi do nowych maszyn molekularnych i materiałów naśladujących życie, które mogłyby znaleźć szereg potencjalnych zastosowań. „Nasze działające eksperymentalne konstrukcje pokazały, jak stworzyć maszyny molekularne napędzane chemicznie, co zainspirowało wielu naukowców do ponownego przemyślenia swojego podejścia. Nie sądzę, byśmy wrócili do projektowania maszyn molekularnych jako analogów maszyn makroskopowych” — mówi David Leigh(odnośnik otworzy się w nowym oknie), koordynator projektu MolMacIP.
Naśladowanie biologii: niczym zabawa „molekularnym Lego”
Maszyny molekularne można zaprogramować do wykonywania konkretnych zadań. Ale ponieważ wszystkie ich molekularne składowe są już w ruchu, ukierunkowanie tego ruchu do zbudowania maszyny molekularnej zdolnej do wywierania siły jak mięśnie, na przykład, oznacza zablokowanie tego ruchu we wszystkich kierunkach, z wyjątkiem tego pożądanego. „Manipulowanie tymi molekularnymi blokami konstrukcyjnymi i tworzenie różnych zespołów przypomina trochę zabawę molekularnymi klockami Lego” — zauważa Leigh z Uniwersytetu Manchesterskiego(odnośnik otworzy się w nowym oknie), gospodarza projektu. Projekt MolMacIP zajmował się w szczególności projektowaniem napędzanych chemicznie silników molekularnych zdolnych do transportowania ładunków i wykonywania innych zadań. „Biologia wykorzystuje maszyny molekularne do wszystkich procesów zachodzących w komórkach, w ten sposób generuje siłę, tak tworzy cząsteczki, tak przechowuje energię i następnie wykorzystuje ją do wykonywania zadań” — dodaje Leigh. Zespół zademonstrował biologiczne naśladownictwo, tworząc pierwsze chemicznie zasilane silniki obrotowe(odnośnik otworzy się w nowym oknie) z wykorzystaniem zasad, które można by potencjalnie zastosować do budowy silników liniowych. „Wykorzystaliśmy te same koncepcje inżynieryjne co w białkach motorycznych, ale nasze sztuczne układy składały się z tylko 26 atomów! Białka motoryczne składają się z dziesiątek tysięcy atomów, a to oznacza, że nasze cząsteczki motoryczne są prostsze i mniejsze” — wyjaśnia Leigh. Na początku tego roku zespół wykorzystał wspomniane silniki molekularne do generowania siły i kurczenia żelu(odnośnik otworzy się w nowym oknie), podobnie jak w biologii wykorzystywane są białka motoryczne w mięśniach do generowania siły. Kolejny projekt zainspirowany był liniami montażowymi — to nawlekanie cyklicznej cząsteczki na tor niczym koralika na sznurek. Gdy cząsteczka porusza się wzdłuż toru, docierając do różnych bloków konstrukcyjnych, odłącza je i dodaje do rosnącego łańcucha, podobnie jak tworzone są białka w komórkach przez biologię.
Maszyny molekularne staną się rewolucyjną technologią
Historia innowacji mówi nam, że miniaturyzacja zwykle prowadzi do postępu technologicznego, od silników parowych po akumulatory, od komputerów wielkości pokoju po maleńkie energooszczędne chipy. Dzięki potencjalnym zastosowaniom w energetyce, transporcie i bezpieczeństwie maszyny molekularne mogą przyczynić się do zwiększenia konkurencyjności gospodarczej Europy, a także do rozwiązywania problemów społecznych, związanych na przykład ze zdrowiem publicznym i zrównoważonym rozwojem. „Zbyt szczegółowe określanie potencjalnych zastosowań może przypominać proszenie wynalazców koła z epoki kamiennej o przewidzenie samochodów spalinowych, ale maszyny molekularne najprawdopodobniej przyśpieszą i poprawią proces odkrywania leków, a także zmniejszą zapotrzebowanie na materiały, wymagania energetyczne i koszty cyklu życia” — zauważa Leigh. Mając na koncie stworzenie pierwszych syntetycznych przykładów chemicznie napędzanych maszyn molekularnych, zespół projektu MolMacIP dąży teraz do stworzenia szybszych, wydajniejszych i potężniejszych układów do wykonywania przydatnych zadań, takich jak chemicznie zasilane czujniki i materiały.
