Minimal design för maxad molekylär motor

Naturen har inspirerat kemister vid LiU när de har designat en ny molekylär motor, som kan omvandla energi i ljuset till rörelse. Formen är slimmad samtidigt som den molekylära motorns funktion uppfyller flera viktiga kriterier.

3D-illustration av molekylenMolekylär motor designad av LiU-forskarna Bo Durbeej och Jun Wang (se 3D-simulering i videon efter artikeln).”Molekylära motorer” låter exotiskt, men faktum är att du har många sådana i kroppen. Ett exempel är ett ljuskänsligt protein, rodopsin, som finns i ditt öga. När rodopsin träffas av ljus används energi från ljuset till att driva en kemisk reaktion som får proteinet att ändra sin tredimensionella struktur. Denna förändring av rodopsins form startar en komplicerad kedjereaktion som leder fram till att en nervsignal skickas till hjärnan och du ser det som du tittar på. Rodopsin omvandlar alltså ljusenergi till rörelseenergi – det är en motor, med andra ord.

I naturen finns många sådana pyttesmå proteinmaskiner som möjliggör rörelse. Andra exempel på molekylära motorer är de myosinprotein som är grunden för våra musklers förmåga att dra ihop sig. Naturens proteinmaskiner har väckt forskares intresse för att utveckla artificiella varianter som man hoppas ska kunna användas inom såväl medicin som teknik i framtiden.

Inspirerad av naturen

Nu har teoretiska kemister vid Linköpings universitet (LiU) designat en ny molekylär motor, som än så länge bara finns i datorn. Designen, som forskarna nyligen presenterade i den vetenskapliga tidskriften ChemistryOpen, har de tagit fram baserat på avancerade kvantmekaniska beräkningar, som görs i superdatorer på Nationellt Superdatorcentrum vid LiU. Och det är just ögats rodopsin som har inspirerat forskarna.Superdator vid Nationellt Superdatorcentrum vid LiU. Foto Thor Balkhed

– Man vet att den kemiska reaktionen i rodopsin är extremt snabb. Tack vare att reaktionen är så snabb uppfattar vi nästan direkt vad vi ser när ljuset träffar ögat. Det hade ju varit rätt tråkigt om ett lejon kom emot oss på savannen och det dröjde flera sekunder innan vi såg det... Vi blev nyfikna på om vi kunde använda oss av principen i rodopsin för att göra en syntetisk molekylär motor, säger Bo Durbeej, biträdande professor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi, IFM.

LiU-forskarnas molekylära motor härmar principen i ögats rodopsin, men är mindre. Det är en liten molekyl vars ena halva roterar kring bindningen i mitten (se forskarnas video efter artikeltexten). Det går att styra om motorn roterar medurs eller moturs, ungefär som en extremt liten borr. Och faktum är att det finns andra exempel där forskare har utvecklat en molekylär motor som kan borra pyttesmå hål i cellmembran i levande celler, något som kanske kan användas för att transportera och leverera läkemedel i kroppen i framtiden.

– Molekylära motorer anses ha väldigt stor potential för framtida tillämpningar, säger Bo Durbeej.

Enklast möjliga design

När det gäller molekylära motorer finns tre kriterier som helst ska vara uppfyllda: de ska vara snabba, effektiva och drivas av rätt sorts ljus.

– Många som utvecklar molekylära motorer fokuserar på att optimera en av faktorerna i taget. Det vi visar med vår design är att alla tre önskemålen kan uppfyllas samtidigt, säger Bo Durbeej.

De flesta syntetiska molekylära motorerna drivs med energin från ultraviolett ljus, men när det kommer till tänkbara biologiska tillämpningar är ultraviolett ljus inte lämpligt, eftersom det är skadligt för biologisk vävnad. Då är synligt ljus mycket bättre. Men synligt ljus innehåller mindre energi än det ultravioletta, vilket gör att det är en större utmaning för forskare att designa molekylära motorer som kan drivas av synligt ljus. LiU-forskarnas design kan drivas med synligt ljus, samtidigt som den roterar mycket snabbt och har hög effektivitet.

Det är framför allt nyfikenheten på hur man tar fram riktigt bra molekylära motorer som driver Bo Durbeej. Han och hans kollega Jun Wang har strävat efter enklast möjliga design.

– Det är enkelheten i designen som är det fina. Vi föreslår att den här principen ska användas för framtida molekylära motorer och att vi och andra forskare kan bygga vidare med vår design som grund, säger Bo Durbeej.

Från superdator till labbänk

Förutom teoretiska förutsägelser om hur molekylen borde fungera, har forskarna också föreslagit en metod för hur molekylen borde kunna skapas i verkligheten. De samarbetar med forskare i Ungern som håller på att syntetisera molekylen. Forskarna vill testa att tillämpa motorn, bland annat genom att fästa den på en yta.

– Att kunna fästa dem på ytor är ett nyckelsteg för att kunna ta detta vidare till framtida tillämpningar. Men prestandan försämras nästan alltid när man fäster molekylära motorer vid ett underlag. Vi vill ta reda på hur vi ska göra för att bevara de fina egenskaperna och kunna skala upp detta. En ensam molekylär motor kan inte göra särskilt mycket, men tänk om vi skulle kunna ta vara på kraften från en stor mängd molekylära motorer, säger Bo Durbeej.

Artikeln:Toward fast and efficient visible-light-driven molecular motors: a minimal design”, Jun Wang, Bo Durbeej, ChemistryOpen 2018, 7, 583-589, doi: 10.1002/open.201800089

Forskningen beskrivs också i ChemistryViews

Visa/dölj innehåll

Hur snabb är den molekylära motorn?

LiU-forskarna har designat en molekylär motor som kan drivas av energi lägre än 3 elektronvolt, eV, vilket motsvarar energin i synligt ljus.

Enligt deras beräkningar är effektiviteten hög. Hela 75 procent av ljusenergin utnyttjas till att driva rotationsrörelsen.

Dessutom är motorn snabb: den kan rotera 2000 miljarder varv på en enda sekund (2 THz).

Motorn simulerad
Visa/dölj innehåll

Minimal design

I simuleringen intill kan du se forskarnas 3-modell av den molekylära motorn (slå gärna på undertext).
– Det är enkelheten i designen som är det fina. Vi föreslår att den här principen ska användas för framtida molekylära motorer och att vi och andra forskare kan bygga vidare med vår design som grund, säger Bo Durbeej, biträdande professor vid Institutionen för fysik, kemi och biologi (IFM).

Kontakt
Visa/dölj innehåll

Liknande forskning
Visa/dölj innehåll

Senaste nytt från LiU
Visa/dölj innehåll