Chemiker Study vierbeinigen Molekulare Maschinen

Molekulare Maschinen können überall in der Natur gefunden werden , zum Beispiel den Transport von Proteinen durch Zellen und Unterstützung Stoffwechsel. Künstliche molekulare Maschinen zu entwickeln, müssen die Wissenschaftler , die Regeln , die Mechanik auf molekularer oder Nanometerbereich ( ein Nanometer ist ein Milliardstel Meter ) regeln zu verstehen.

Um dieser Herausforderung , ein Forscherteam an der University of California -Adresse , studierte Riverside eine Klasse von molekularen Maschinen , die "Walk" über eine Kühlfläche . Sie betrachteten sowohl zweibeinigen Maschinen, die auf zwei "Beine" und vierbeinigen diejenigen, die sich auf vier Fuß gehen.

"Wir haben ein Pferd artige Struktur mit vier Hufen " zu untersuchen, wie molekulare Maschinerie kann die Bewegung aus mehreren Teilen zu organisieren ", sagte Ludwig Bartels, Professor für Chemie , dessen Labor führte die Forschung . "Vor ein paar Jahren entdeckten wir, wie wir die Kohlendioxidmoleküle entlang einer geraden Linie über eine Oberfläche mit einer molekularen Maschine mit zwei " Füße " , die einen Schritt nach dem anderen bewegt zu transportieren. Für die neue Forschung, um eine zu erstellen wollten wir Arten, die mehr Fracht transportieren können .? - was bedeutet, dass mehr Beine müssten aber wenn eine Art hat mehr als zwei Beine, wie wird sie ihre Bewegung zu organisieren "

Bartels und Kollegen führten Experimente im Labor und gefunden, daß die quadrupedal Moleküle verwenden eine Stimulationsgang- beide Beine auf einer Seite des Moleküls zusammen bewegen , gefolgt durch die nächsten zwei Schenkel auf der gegenüberliegenden Seite des Moleküls. Die Art ihrer Erstellung bewegt zuverlässig entlang einer Linie , nicht zur Seite drehen oder Abkommen von Kurs . Die Forscher stellten auch simuliert eine Trab der Art , in der schräg gegenüber Hufe zusammen bewegen , und festgestellt, dass diese Form der Bewegung verzerrt die Art viel zu viel lebensfähig zu sein .

Nachdem festgestellt wurde , wie die Molekül bewegt sich die Forscher neben adressiert eine grundlegende Frage über die molekularen Maschinen: Hat ein Molekül - oder Teile davon - einfach Tunnel durch Barrieren durch die Rauheit es auf seinem Weg begegnet Status?

" Wenn ja, wäre dies eine grundlegende Abkehr von der Mechanik in der makroskopischen Welt und würde erheblich beschleunigen Bewegung ", sagte Bartels . "Es wäre wie das Fahren auf einer holprigen Straße mit den Rädern des Autos gehen durch die Bodenwellen und nicht über sie. Quantenmechanikist bekannt, dass ein solches Verhalten für sehr leichte Teilchen wie Elektronen und Wasserstoffatomen zu ermöglichen, aber wäre es auch von Bedeutung sein für große Moleküle ? "

Bartels und Kollegen variiert die Temperatur in ihren Experimenten die molekularen Maschinen mit unterschiedlichen Energieniveaus zu schaffen, und untersucht , wie sich die Geschwindigkeit der Maschinen variiert als Folge . Sie fanden heraus , dass eine Maschine mit zwei Beinen kann Tunneling verwenden, um durch die Profilierung Reißverschluss . Eine Maschine mit vier (oder möglicherweise mehr) Beine nicht in der Lage, Tunneln einzusetzen ; während eine solche Maschine kann die Bewegung von den Hufen in Tempo zu koordinieren , kann sie ihren Tunneln nicht zu koordinieren, die Forscher gefunden.

" Selbst im kleinsten Maßstab , wenn Sie Fracht schnell zu transportieren, eine leichte und flinke zweibeinigen Fahrzeug brauche dich", sagte Bartels . " Größere Fahrzeuge können auf mehr Ladung tragen können , sondern weil sie nicht Tunnel effektiv nutzen können , sie am Ende mit sich langsam zu bewegen . Ist das entmutigend ? Nicht wirklich . Tatsächlich gibt es , weil molekulare Maschinerie als Konzept ist immer noch in den Kinderschuhen ein Vorteil, mit einem Molekül bewegen sich langsam , weil es uns , die ihre Bewegungen genauer zu beobachten und lernen, wie sie zu kontrollieren. "

Die Ergebnisse der Studie erschienen Online vergangenen Woche in der Journal of the American Chemical SocietyUnd wird in gedruckter Form in einer kommenden Ausgabe der Zeitschrift.

Als nächstes wollen die Forscher molekulare Maschinen , deren Bewegung durch Licht gesteuert werden zu entwickeln.

Derzeit molekularen Maschinen werden intensiv auf ihre Aufgaben in der Biologie und ihren therapeutischen Wert untersucht. Zum Beispiel Patienten mit GERD ( Refluxösophagitis ) vorgeschrieben sind Protonenpumpenhemmer, die langsam die Pumpwirkung der biologischen molekularen Maschinen , wodurch Magensäure reduzieren .

" Im Allgemeinen , Wissenschaftler 'Bild von der Arbeitsweise solcher biologischen molekularen Maschinen komplett missachtet Tunneling ", sagte Bartels . "Unsere Studie korrigiert diese Wahrnehmung, die wiederum neue Wege zur Steuerung oder Korrektur des Verhaltens von biologischen molekularen Maschinen führen kann. "

Künstliche molekulare Maschinen sind von Interesse für die Mikroelektronik in ihrem Streben nach immer kleineren aktiven Elemente in Computer und für die Datenspeicherung . Künstliche molekulare Maschinen kann möglicherweise auch in Zellen funktionieren wie ihre biologischen Pendants , stark profitieren Medizin.

Bartels Labor verwendet die folgenden Moleküle in der Studie : Anthrachinon und pentaquinone (beide auf zwei Beinen ); und pentacenetetrone und Dimethyl pentacenetetrone (beide vierbeinigen ) .

Hinweise:
Die Forschung von besondere Instrumentierung entwickelt und in der Bartels Labor gebaut ermöglicht. Bartels ist auf die Entwicklung von Rastertunnelmikroskopie Instrumente und ihre Anwendung auf molekulare Systeme . Neben dem Institut für Chemie , hält er Termine in den Abteilungen der Physik, Elektrotechnik , Maschinenbau und das Programm in den Materialwissenschaften und Ingenieurwesen.
Er wurde in der Studie von Forschern an den folgenden UCR beigetreten: Postdoc-Stipendiat Zhihai Cheng ; Bachelor-Student Eric S. Chu ; Doktoranden Dezheng Sonne, Daeho Kim, Yeming Zhu, Miaomiao Luo, Greg Pawin , Kin L. Wong, Ki -Young Kwon und Robert Karpfen ; Marsella und Michael , ein Associate Professor für Chemie. Karpfen , die in Marsella Labor arbeitet , machte Dimethyl pentacenetetrone ; die anderen Chemikalien, die in der Studie verwendet werden, sind im Handel erhältlich.
Die Forschung wurde von einem Energieministerium Zuschuss für Bartels und ein National Science Foundation (NSF) Zuschuss für Bartels und Marsella unterstützt. Letztere Zuschuss wurde in einer kürzlich durchgeführten Überprüfung der NSF Abteilung für Chemie wie bewertet " Werkstatt der Exzellenz in der Unterstützung der Division Investitionen in Forschung, Bildung und Infrastruktur . "

Quelle:
Iqbal Pittalwala
Universität von Kalifornien - Riverside