Из Википедии, свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
АСМ- изображение молекул диимида нафталиндетракарбоновой кислоты на серебре, взаимодействующих посредством водородных связей при 77 К. [1] («Водородные связи» на верхнем изображении преувеличены артефактами метода визуализации. [2] [3] )
NC-AFM визуализация процесса молекулярной самосборки молекул 2-аминотерефталевой кислоты на кальците (104). [4]
СТМ- изображение самоорганизующихся молекул Br 4 - пирена на поверхности Au (111) (вверху) и его модель (внизу; розовые сферы - атомы Br). [5]

Молекулярная самосборка - это процесс, при котором молекулы принимают определенное расположение без руководства или управления из внешнего источника. Есть два типа самостоятельной сборки . Это внутримолекулярная самосборка и межмолекулярная самосборка. Обычно термин молекулярная самосборка относится к межмолекулярной самосборке, в то время как внутримолекулярный аналог чаще называют сворачиванием .

Супрамолекулярные системы [ править ]

Самосборка молекул - ключевая концепция супрамолекулярной химии . [6] [7] [8] Это связано с тем, что сборка молекул в таких системах направлена ​​через нековалентные взаимодействия (например, водородные связи , координация металлов, гидрофобные силы , силы Ван-дер-Ваальса , взаимодействия пи-стэкинга и / или электростатические), а также электромагнитные взаимодействия. Общие примеры включают образование коллоидов , биомолекулярных конденсатов , мицелл , везикул , жидкокристаллических фаз иМонослои Ленгмюра по молекулам ПАВ . [9] Дополнительные примеры супрамолекулярных ансамблей демонстрируют, что с помощью молекулярной самосборки можно получить множество различных форм и размеров. [10]

Молекулярная самосборка позволяет создавать сложные молекулярные топологии . Одним из примеров являются кольца Борромео , взаимоблокирующие кольца, в которых снятие одного кольца разблокирует каждое из других колец. ДНК была использована для получения молекулярного аналога колец Борромео . [11] Совсем недавно аналогичная структура была приготовлена ​​с использованием небиологических строительных блоков. [12]

Биологические системы [ править ]

Молекулярная самосборка лежит в основе построения биологических макромолекулярных ансамблей и биомолекулярных конденсатов в живых организмах и поэтому имеет решающее значение для функционирования клеток . Он проявляется в самосборке липидов с образованием мембраны , образовании двойной спирали ДНК через водородные связи отдельных цепей и сборке белков с образованием четвертичных структур . Молекулярная самосборка неправильно свернутых белков в нерастворимые амилоидные волокна ответственна за инфекционные нейродегенеративные заболевания, связанные с прионами . Молекулярная самосборка наноразмерных структур играет роль врост замечательных структур β-кератиновых пластинок / щетинок / лопаток, используемых для того, чтобы гекконы могли лазить по стенам и прилипать к потолкам и выступам скал . [13] [14]

Мультимеры белка [ править ]

Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, самоорганизуются с образованием комплекса, эта белковая структура называется мультимером. [15] Гены, которые кодируют полипептиды, образующие мультимеры, встречаются довольно часто. Когда мультимер формируется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутантными аллелями конкретного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае явление называется внутригенной комплементацией . [16] Jehle [17] указал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда способствуют объединению идентичных молекул в качестве ближайших соседей.

Нанотехнологии [ править ]

Самосборка молекул - важный аспект восходящих подходов к нанотехнологиям . Используя молекулярную самосборку, конечная (желаемая) структура программируется в форме и функциональных группах молекул. Самосборка называется производственной техникой «снизу вверх», в отличие от техники «сверху вниз», такой как литография, когда желаемая окончательная структура вырезается из более крупного блока материи. В умозрительном видении молекулярной нанотехнологии микрочипы будущего могут быть созданы путем молекулярной самосборки. Преимущество создания наноструктур с использованием самосборки молекул для биологических материалов состоит в том, что они будут распадаться обратно на отдельные молекулы, которые могут быть разрушены организмом.

ДНК-нанотехнологии [ править ]

Основная статья: ДНК-нанотехнологии

ДНК-нанотехнология - это область текущих исследований, в которой для нанотехнологических целей используется восходящий подход, основанный на самосборке. Нанотехнология ДНК использует уникальные свойства молекулярного распознавания ДНК и других нуклеиновых кислот для создания самособирающихся разветвленных комплексов ДНК с полезными свойствами. [18] Таким образом, ДНК используется как структурный материал, а не как носитель биологической информации, для создания таких структур, как сложные 2D- и 3D-решетки (как на основе плиток, так и с использованием метода « ДНК-оригами ») и трехмерных. структуры в форме многогранников . [19] Эти структуры ДНК также использовались в качестве шаблонов при сборке других молекул, таких какнаночастицы золота [20] и белки стрептавидина . [21]

Двумерные монослои [ править ]

Основная статья: Монослой

Самопроизвольную сборку одного слоя молекул на границах раздела обычно называют двумерной самосборкой. Одним из распространенных примеров таких сборок являются монослои Ленгмюра-Блоджетт и многослойные поверхностно-активные вещества. Неповерхностно активные молекулы также могут собираться в упорядоченные структуры. Первые прямые доказательства того, что неповерхностно-активные молекулы могут собираться в архитектуры более высокого порядка на твердых интерфейсах, появились с развитием сканирующей туннельной микроскопии и вскоре после этого. [22] В конце концов, две стратегии стали популярными для самосборки 2D-архитектур, а именно самосборка после осаждения в сверхвысоком вакууме и отжига и самосборка на границе раздела твердое тело-жидкость. [23]Конструирование молекул и условий, ведущих к формированию высококристаллических архитектур, сегодня считается формой 2D- инженерии кристаллов в наноскопическом масштабе .

См. Также [ править ]

  • Супрамолекулярная сборка
  • Фолдамер
  • Сборка макромолекул
  • Ледяная девятка
  • Самосборка наночастиц

Ссылки [ править ]

  1. ^ Sweetman, AM; Джарвис, ИП; Пел, Хунцянь; Lekkas, I .; Rahe, P .; Ван, Ю; Ван, Цзяньбо; Champness, NR; Канторович, Л .; Мориарти, П. (2014). «Отображение силового поля сборки с водородной связью» . Nature Communications . 5 : 3931. Bibcode : 2014NatCo ... 5.3931S . DOI : 10.1038 / ncomms4931 . PMC  4050271 . PMID  24875276 .
  2. ^ Хапала, Прокоп; Кичин, Георгий; Вагнер, Кристиан; Тауц, Ф. Стефан; Темиров, Руслан; Елинек, Павел (19.08.2014). «Механизм получения изображений СТМ / АСМ высокого разрешения с функционализированными наконечниками». Physical Review B . 90 (8): 085421. arXiv : 1406.3562 . Bibcode : 2014PhRvB..90h5421H . DOI : 10.1103 / PhysRevB.90.085421 .
  3. ^ Hämäläinen, Sampsa K .; ван дер Хейден, Надин; ван дер Лит, Йост; ден Хартог, Стефан; Лилиерот, Питер; Сварт, Ингмар (2014-10-31). «Межмолекулярный контраст в изображениях атомно-силовой микроскопии без межмолекулярных связей». Письма с физическим обзором . 113 (18): 186102. arXiv : 1410.1933 . Bibcode : 2014PhRvL.113r6102H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.113.186102 . PMID 25396382 . 
  4. ^ Клинг, Феликс (2016). Диффузия и структурообразование молекул на кальците (104) (PhD). Йоханнес Гутенберг-Университет Майнца.
  5. ^ Фам, Туан Ань; Сун, Фэй; Нгуен, Мань-Тхыонг; Штер, Мейке (2014). «Самосборка производных пирена на Au (111): влияние заместителей на межмолекулярные взаимодействия» . Chem. Commun . 50 (91): 14089–14092. DOI : 10.1039 / C4CC02753A . PMID 24905327 . 
  6. ^ Lehn, J.-M. (1988). «Перспективы супрамолекулярной химии - от молекулярного распознавания к обработке молекулярной информации и самоорганизации». Энгью. Chem. Int. Эд. Англ. 27 (11): 89–121. DOI : 10.1002 / anie.198800891 .
  7. ^ Lehn, J.-M. (1990). "Супрамолекулярная химия - Объем и перспективы: молекулы, супермолекулы и молекулярные устройства (Нобелевская лекция)". Энгью. Chem. Int. Эд. Англ. 29 (11): 1304–1319. DOI : 10.1002 / anie.199013041 .
  8. ^ Lehn, J.-M. Супрамолекулярная химия: концепции и перспективы . Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-29311-7.
  9. ^ Розен, Милтон Дж. (2004). Поверхностно-активные вещества и межфазные явления . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-47818-8.
  10. ^ Арига, Кацухико; Хилл, Джонатан П.; Ли, Майкл V; Вину, Аджаян; Чарвет, Ричард; Ачарья, Сомобрата (2008). «Вызовы и открытия в недавних исследованиях самосборки» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (1): 014109. Bibcode : 2008STAdM ... 9a4109A . DOI : 10.1088 / 1468-6996 / 9/1/014109 . PMC 5099804 . PMID 27877935 .  
  11. ^ Мао, C; Солнце, Вт; Симан, Северная Каролина (1997). «Сборка колец Борромео из ДНК». Природа . 386 (6621): 137–138. Bibcode : 1997Natur.386..137M . DOI : 10.1038 / 386137b0 . PMID 9062186 . 
  12. ^ Чичак, KS; Cantrill, SJ; Пиз, штат Арканзас; Чиу, SH; Пещера, ГВт; Этвуд, JL; Стоддарт, Дж. Ф. (2004). «Молекулярные кольца Борромео» (PDF) . Наука . 304 (5675): 1308–1312. Bibcode : 2004Sci ... 304.1308C . DOI : 10.1126 / science.1096914 . PMID 15166376 .  
  13. ^ Мин, Юнджин; и другие. (2008). «Роль межчастичных и внешних сил в сборке наночастиц». Материалы природы . 7 (7): 527–38. Bibcode : 2008NatMa ... 7..527M . DOI : 10.1038 / nmat2206 . PMID 18574482 . 
  14. ^ Сантос, Даниэль; Спенко, Матвей; Парнесс, Аарон; Ким, Сангбэ; Каткоски, Марк (2007). «Направленная адгезия для лазания: теоретические и практические соображения». Журнал адгезии и технологий . 21 (12–13): 1317–1341. DOI : 10.1163 / 156856107782328399 .Лапы и пальцы ног геккона представляют собой иерархическую систему сложных структур, состоящих из ламелей, щетинок и лопаток. Отличительные характеристики системы адгезии геккона были описаны [как] (1) анизотропное прикрепление, (2) высокое соотношение силы отрыва и предварительной нагрузки. , (3) низкая сила отрыва, (4) независимость от материала, (5) самоочищение, (6) защита от самоприлипания и (7) нелипкое состояние по умолчанию ... Адгезивные структуры геккона сделаны из ß- кератин (модуль упругости [прибл.] 2 ГПа). Такой жесткий материал по своей природе не является липким; однако из-за иерархической природы адгезива для гекконов и чрезвычайно малых дистальных особенностей (размер шпателя [прибл.] 200 нм) Стопа геккона способна полностью прилегать к поверхности и вызывать значительное притяжение за счет сил Ван-дер-Ваальса .
  15. ^ Crick FH, Orgel LE. Теория межаллельной комплементации. J Mol Biol. 1964 Янв; 8: 161-5. DOI: 10.1016 / s0022-2836 (64) 80156-х. PMID: 14149958
  16. ^ Бернштейн H, Эдгар RS, Денхардт GH. Внутригенная комплементация среди термочувствительных мутантов бактериофага T4D. Генетика. 1965; 51 (6): 987-1002.
  17. ^ Jehle H. Межмолекулярные силы и биологическая специфичность. Proc Natl Acad Sci US A. 1963; 50 (3): 516-524. DOI: 10.1073 / pnas.50.3.516
  18. ^ Симэн, NC (2003). «ДНК в материальном мире» . Природа . 421 (6921): 427–431. Bibcode : 2003Natur.421..427S . DOI : 10,1038 / природа01406 . PMID 12540916 . 
  19. Перейти ↑ Chen, J. & Seeman, NC (1991). «Синтез из ДНК молекулы со связностью куба». Природа . 350 (6319): 631–633. Bibcode : 1991Natur.350..631C . DOI : 10.1038 / 350631a0 . PMID 2017259 . 
  20. ^ Миркин, Калифорния; Летсингер, Р.Л .; Mucic, RC; Сторхофф, JJ (1996). «Метод на основе ДНК для рациональной сборки наночастиц в макроскопические материалы». Природа . 382 (6592): 607–609. Bibcode : 1996Natur.382..607M . DOI : 10.1038 / 382607a0 . PMID 8757129 . 
  21. ^ Ян, H; Парк, Ш; Финкельштейн, G; Рейф, JH; Лабин, TH (2003). "ДНК-шаблон самосборки белковых массивов и высокопроводящих нанопроволок". Наука . 301 (5641): 1882–1884. Bibcode : 2003Sci ... 301.1882Y . DOI : 10.1126 / science.1089389 . PMID 14512621 . 
  22. Перейти ↑ Foster, JS & Frommer, JE (1988). «Изображение жидких кристаллов с помощью туннельного микроскопа». Природа . 333 (6173): 542–545. Bibcode : 1988Natur.333..542F . DOI : 10.1038 / 333542a0 .
  23. Перейти ↑ Rabe, JP & Buchholz, S. (1991). «Соизмеримость и подвижность в двумерных молекулярных структурах на графите». Наука . 253 (5018): 424–427. Bibcode : 1991Sci ... 253..424R . DOI : 10.1126 / science.253.5018.424 . JSTOR 2878886 . PMID 17746397 .