Молекулярные машины — это класс молекул, обычно описываемых как совокупность дискретного числа молекулярных компонентов, предназначенных для создания механических движений в ответ на определенные стимулы, имитирующих макромолекулярные устройства, такие как переключатели и двигатели. Природные или биологические молекулярные машины отвечают за жизненно важные процессы жизни , такие как репликация ДНК и синтез АТФ . Кинезины и рибосомы являются примерами молекулярных машин и часто принимают форму мультибелковых комплексов . В течение последних нескольких десятилетий ученые с разной степенью успеха пытались миниатюризировать машины, обнаруженные в макроскопическом мире. О первом примере искусственной молекулярной машины (АММ) было сообщено в 1994 году, и она представляла собой ротаксан с кольцом и двумя различными возможными сайтами связывания . В 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена Жан-Пьеру Соважу , сэру Дж. Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Л. Феринге за разработку и синтез молекулярных машин.
За последние несколько десятилетий АММ быстро диверсифицировались, и принципы их проектирования, свойства и методы определения характеристик стали лучше изложены. Основной отправной точкой для разработки АММ является использование существующих способов движения в молекулах, таких как вращение вокруг одинарных связей или цис-транс- изомеризация . Различные AMM производятся путем введения различных функций, таких как введение бистабильности для создания переключателей. Разработан широкий спектр АММ с различными свойствами и применением; некоторые из них включают молекулярные двигатели , переключатели и логические элементы . Был продемонстрирован широкий спектр применений АММ, в том числе интегрированных в полимерные , жидкокристаллические и кристаллические системы для различных функций (таких как исследование материалов , гомогенный катализ и химия поверхности ).
Некоторые определения описывают «молекулярную машину» как класс молекул, обычно описываемых как совокупность дискретного числа молекулярных компонентов, предназначенных для создания механических движений в ответ на определенные стимулы. Это выражение часто применяется к молекулам, которые просто имитируют функции, происходящие на макроскопическом уровне. [1] Несколько основных требований к молекуле, чтобы ее можно было считать «молекулярной машиной»: наличие движущихся частей, способность потреблять энергию и способность выполнять задачу. [2] Молекулярные машины отличаются от других чувствительных к раздражителям соединений, способных вызывать движение (таких как цис - транс- изомеры ), относительно большей амплитудой движения (потенциально из-за химических реакций ) и наличием четкого внешнего стимула для регулирования движений. (по сравнению со случайным тепловым движением ). [1] Пьезоэлектрические , магнитострикционные и другие материалы, которые вызывают движение под воздействием внешних раздражителей на макроуровне, обычно не включаются, поскольку, несмотря на молекулярное происхождение движения, эти эффекты невозможно использовать на молекулярном уровне.
Это определение обычно применяется к синтетическим молекулярным машинам, которые исторически черпали вдохновение из встречающихся в природе биологических молекулярных машин (также называемых «наномашинами»). Биологические машины считаются наноразмерными устройствами (такими как молекулярные белки ) в живой системе, которые преобразуют различные формы энергии в механическую работу, чтобы управлять важнейшими биологическими процессами , такими как внутриклеточный транспорт , мышечные сокращения , выработка АТФ и деление клеток . [3] [4]
Какова будет польза от таких машин? Кто знает? Я не могу точно предвидеть, что произойдет, но вряд ли могу сомневаться в том, что, когда мы получим некоторый контроль над расположением вещей на молекулярном уровне, мы получим чрезвычайно широкий диапазон возможных свойств, которыми могут обладать вещества, и различных вещей, которые мы можем иметь. делать.