Darstellung der möglichen Übergänge für eine Catenanstruktur, die aus einem großen Ring mit drei Stationen für zwei kleine Ringe besteht. Die beiden kleinen Ringe bewegen sich um den großen Ring, um an einer Station zu binden. Jeder Bindungszustand wird durch einen anderen energetischen Zustand begünstigt, wie angegeben. © 2007 PNAS. Bildnachweis: R. Dean Astumian.

Von molekularen Maschinen - winzigen Maschinen aus Molekülen, die mechanische Arbeit leisten - wird normalerweise angenommen, dass sie in einem Zustand des Ungleichgewichts arbeiten. Dies ist sinnvoll, wenn man bedenkt, dass Maschinen mit Makrogröße im Ungleichgewicht arbeiten und eine zusätzliche Kraft zum Bewegen erfordern. Andererseits impliziert das Gleichgewicht, dass sich Kräfte gegenseitig aufheben, was zu einem unveränderlichen System führt, das oft ruht.

R. Dean Astumian, ein Physikprofessor an der Universität von Maine, hat kürzlich ein Konzept vorgeschlagen, bei dem molekulare Maschinen zu jedem Zeitpunkt des Zyklus beliebig nahe am chemischen Gleichgewicht arbeiten und dennoch Arbeiten mit einer Geschwindigkeit von mehreren Mikrometern pro Sekunde ausführen können gegen piconewton Lasten. Die Studie „Adiabatischer Betrieb einer molekularen Maschine“ wurde kürzlich in einer Ausgabe der Proceedings der National Academy of Sciences veröffentlicht .

"Die Hauptbedeutung ist konzeptionell - es verändert die Art und Weise, wie wir über molekulare Motoren denken", sagte Astumian gegenüber PhysOrg.com . „Es wurde viel Wert auf die Nicht-Gleichgewichtsaspekte des Systems gelegt, aber in der Tat ist dies nicht wirklich wichtig. Die Bewegung der Ringe entsteht hier aufgrund einer Kombination aus Topologie, die die räumliche Symmetrie durchbricht, und langsamer externer Modulation, die die zeitliche Symmetrie durchbricht. Es ist auch wichtig zu erkennen, dass wir in der molekularen Welt Motoren haben können, die mit einem Wirkungsgrad von nahezu 100% arbeiten. “

Astumians Beispiel für eine solche molekulare Maschine ist eine Dreiring- „Catenan“ -Struktur, die als rotierender Motor dient. Das Catenan mit einem Durchmesser von etwa 3 Nanometern besteht aus einem großen Ring mit zwei kleineren Ringen, die wie Ringe an einem Schlüsselbund mit dem großen Ring verbunden sind. Drei Bindungsstationen auf dem großen Ring bieten Stellen, an denen sich die beiden kleinen Ringe in Abhängigkeit von der Wechselwirkungsenergie zwischen Ring und Station binden können.

Astumian bringt die kleinen Ringe dazu, sich im Uhrzeigersinn von Station zu Station um den großen Ring zu bewegen, eine Bewegung, die zu mechanischem Radfahren führt. Ferner erreicht er diese Bewegung ohne Wärmegewinn oder Wärmeverlust und ohne Änderung der Entropie, sondern einfach durch thermisches Rauschen aufgrund der Brownschen Bewegung. Diese Art von „adiabatischem“ System ist an jedem Punkt des Zyklus beliebig nahe am Gleichgewicht.

Der Schlüssel zum Bewegen der kleinen Ringe von Station zu Station ist das periodische Modulieren der Wechselwirkungsenergie. Die Ringe binden an die Station, die die niedrigste Wechselwirkungsenergie benötigt. Diese Modulation muss langsam genug erfolgen, um keine Wärme zu erzeugen, aber mit einer ausreichenden Geschwindigkeit, um signifikante Arbeit zu produzieren.

Das langsame Modulieren der Energie eines einzelnen Moleküls ist eine Herausforderung, und Astumian erklärt, dass es nahezu unmöglich ist, mit chemischen Systemen umzugehen. Die Nettowechselwirkungsenergie für viele Moleküle kann jedoch durch sehr langsame Titrationen des pH-Werts und des Redoxpotentials langsam moduliert werden. Beispielsweise entspricht ein stark saurer und stark reduzierender Zustand einer hohen Wechselwirkungsenergie an Station 2. Daher binden sich die beiden Ringe an den Stationen 1 und 3.

Durch Titrieren mit Oxidationsmittel, um einen stark oxidierenden und stark basischen Zustand zu erreichen, ist die Energie in Station 1 am höchsten. Die Ringe belegen jetzt also die Stationen 2 und 3. Astumian erklärt, dass die Ringe in diesen Zustand wechseln könnten, indem entweder der Ring an Station 1 im Uhrzeigersinn bewegt wird, um an Station 2 zu binden, oder der Ring an Station 3 gegen den Uhrzeigersinn bewegt wird, um an Station 2 zu binden .

Nach weiteren Modulationen erfolgt der Großteil (ca. 75%) der Bewegungen jedoch im Uhrzeigersinn, da sich die Energieniveaus an verschiedenen Stationen ändern. Mit dieser Wahrscheinlichkeit gelangt Astumian zu dem Schluss, dass das System jedes Mal, wenn sich die kleinen Ringe um den großen Ring bewegen, eine halbe mechanische Umdrehung vollendet.

Er erwähnt auch, dass es kreativere Architekturen geben könnte, bei denen Bewegungen gegen den Uhrzeigersinn die Bewegungen im Uhrzeigersinn nicht rückgängig machen. Er vergleicht diesen Mechanismus mit einem Ratschenschraubendreher, mit dem eine Schraube gedreht wird. Wenn sich die Ratsche gegen den Uhrzeigersinn dreht, um sich selbst zurückzusetzen, löst sie sich, damit sie die Vorwärtsdrehung der Schraube nicht löst. Obwohl eine molekulare Maschine thermisches Rauschen anstelle von externem Drehmoment verwenden würde, ist das Konzept ähnlich. In der molekularen Maschine könnte einer der kleinen Ringe befestigt werden, um eine Bewegung gegen den Uhrzeigersinn zu verhindern.

"Ich würde sagen, dass die größte Herausforderung darin besteht, die Moleküle so auf einer Oberfläche anzuordnen, dass die Bewegung verwendet werden kann, um auf der Außenwelt zu arbeiten", sagte Astumian. Er fügte hinzu, dass die chemischen Strukturen bereits von David Leigh an der Universität von Edinburgh als nächster Schritt in der Entwicklung der Maschinen synthetisiert wurden.

Astumian erklärt auch, dass für den Betrieb dieses Systems ein genaues Gleichgewicht zwischen der langsamen Modulation erforderlich ist, damit sich das System zu jedem Zeitpunkt im chemischen und mechanischen Gleichgewicht befindet, aber schnell genug, um umfangreiche Arbeiten auszuführen. Während Biomolekularmotoren häufig mit „gewalttätigen“ Begriffen beschrieben werden, hofft er, dass diese „freundlichere, sanftere“ Beschreibung besser für den Entwurf effizienterer molekularer Maschinen geeignet sein könnte.

"Ich plane, die Theorie zu erweitern, um den Mechanismus der biologischen Motoren zu erklären", sagte Astumian. „Obwohl sie zweifellos nicht genau nach dem für das Dreiring-Catenan beschriebenen Mechanismus arbeiten, denke ich, dass das Aroma ihrer Funktionsweise durch diese Beschreibung des Gleichgewichts viel besser charakterisiert ist als durch verschiedene biologische Modelle, bei denen es um Autos, Judowürfe und Dampf geht Motoren. "

Weitere Informationen: Astumian, R. Dean. "Adiabatischer Betrieb einer molekularen Maschine." PNAS, 11. Dezember 2007, vol. 104, nein. 50, 19715 & ndash; 19718.

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