Wiele postaci i ogrom mikroskopijnych maszyn, pełniących określone funkcje i wykonujących wyspecjalizowane zadania, działających razem i tworzących złożony organizm. Jedne coś transportują, inne kopiują DNA, przekazują informacje, syntetyzują białka czy napędzają ruch komórek.
Metaforyczna wizja funkcjonowania ludzkiego ciała w animowanym serialu Było sobie życie wcale nie jest daleka od prawdy. Rzeczywiście wszystkie żywe organizmy działają dzięki pracy niezliczonej liczby maszyn molekularnych. Oczywiście nie działają one świadomie, tylko automatycznie, napędzane energią chemiczną lub wykorzystując naturalne zjawiska fizyczne.
Naukowcy pracują nad syntetycznymi odpowiednikami takich maszyn. A najnowsza publikacja w Journal of the American Chemical Society udowadnia, że czynią ogromne postępy. Międzynarodowy zespół z udziałem dr. inż. Wojciecha Danowskiego z Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego opracował nową strategię projektowania motorów molekularnych o wysokiej wydajności, mogących działać nawet pod wpływem światła słonecznego.
Światło w silniku
– W naszym organizmie jest mnóstwo biologicznych maszyn molekularnych, czyli wielkobiałkowych kompleksów albo białek, które w komórkach wykonują jakąś określoną pracę. Na przykład Syntaza ATP, taki pierwowzór naszych silników molekularnych. To jest kompleks białek, który kręci się tylko w jedną stronę. Ten obrót wiąże się z mechaniczną pracą, która w Syntazie ATP jest zamieniana na energię chemiczną – wyjaśnia dr inż. Wojciech Danowski.
Syntaza ATP działa jak mikroskopijna turbina, produkująca ATP (adenozynotrifosforan), podstawowy nośnik energii w komórce. Przepływ protonów przez błonę komórkową lub błonę mitochondrium (organellum komórkowe nazywane elektrownią komórki) wprawia część enzymu w ruch obrotowy, napędzający reakcję chemiczną, w której powstaje ATP. A jak gdzieś w organizmie żywym potrzeba energii, to wykorzystywana jest ta zmagazynowana w ATP.
– Inne maszyny molekularne to kroczące białka, które transportują produkty albo substraty przemiany materii w komórce do określonych miejsc w komórce, „chodząc” po filamentach – długich włóknach białkowych. Organizmy żywe funkcjonują właśnie dzięki tym maszynom molekularnym, które występują w zasadzie na każdym szlaku metabolicznym. Ich praca jest niezbędna, żeby w odpowiedni sposób dyrygować metabolizmem – podkreśla badacz.
Badaniem tych związków zajmują się głównie biolodzy. Natomiast chemicy tworzą syntetyczne, dużo mniejsze, małocząsteczkowe maszyny molekularne. Bo działają w biologii, więc dlaczego miałyby nie działać w chemii?
– Na razie oczywiście prowadzimy głównie badania podstawowe syntetycznych maszyn molekularnych, czyli po prostu cząsteczek, które mogą wykonywać jakąś określoną pracę. To może być praca chemiczna, mechaniczna, transport, rozciąganie, ściąganie. Ale to też może być po prostu zmiana położenia stanu równowagi chemicznej – mówi dr Danowski.
Analogicznie do dobrze znanego świata makroskopowego, motory molekularne są rodzajem maszyn molekularnych. Tak jak silniki spalinowe to tylko mały podzbiór wielkiego zbioru maszyn różnego rodzaju.
Są to cząsteczki lub układy cząsteczek zdolne do wykonywania kontrolowanego ruchu pod wpływem bodźców zewnętrznych. A konkretnie istotą działania motoru molekularnego jest obrót jednej jego części względem drugiej wokół osi.
– Nasze silniki molekularne są napędzane światłem. To cząsteczki, które wykonują pracę podobnie jak Syntaza ATP w organizmie, tylko że zamieniają energię zawartą w fotonach na energię mechaniczną, uzyskując jednokierunkowy obrót jednej części cząsteczki względem drugiej – wyjaśnia chemik z UW.
Problem w tym, że do tej pory te motory działały pod wpływem światła UV. A wiadomo, że jest ono szkodliwe. W dodatku nie tylko dla organizmów żywych, również dla cząsteczek.
– Światło ultrafioletowe niesie ze sobą bardzo dużą energię. A to wywołuje ryzyko, że stanie się coś, czego nie chcemy. Dostarczamy bardzo dużo energii, więc cząsteczka chce się jej pozbyć i może to zrobić obracając się, ale może pozbyć się jej na zasadzie reakcji ubocznej. Im długość fali napędzającej jednokierunkowy ruch motoru jest dłuższa, czyli znajduje się bardziej w zakresie światła widzialnego, tym mniejsza szansa, że zajdzie jakaś reakcja uboczna – tłumaczy dr inż. Wojciech Danowski.
Wydajność za dwa fotony
W opublikowanej pracy autorzy przedstawili strategię inżynierii molekularnej pozwalającą otrzymać całą bibliotekę motorów molekularnych, wykazujących wysoką czułość na światło słoneczne. Jeżeli miałyby być wykorzystane w zastosowaniach biologicznych, żeby na przykład coś robiły w komórce, to światło widzialne jest niezbędne, bo światło UV jest bardzo toksyczne i po prostu komórki zabija.
– Zastosowanie światła widzialnego zwiększa ponadto wydajność wykorzystania energii fotochemicznej i zamiany jej na energię mechaniczną. W przypadku idealnym, jeżeli jeden foton światła wzbudza obrót silnika, to jego struktura determinuje, ile on pracy może wykonać. Światło ultrafioletowe ma dużo większą energię niż światło widzialne. Jeżeli jeden foton o większej energii daje nam jakąś jednostkę pracy, to jeśli z kolei foton o mniejszej energii da nam taką samą jednostkę pracy, wydajność tej zamiany jest większa – opowiada dr Danowski.
Jednak tu czai się kolejne wyzwanie, bo światło słoneczne jest mało intensywne, więc kolejny parametr, którego zoptymalizowanie jest konieczne to tzw. wydajność kwantowa fotoizomeryzacji.
Fotoizomeryzacja to reakcja fotochemiczna, w której cząsteczka związku chemicznego pod wpływem światła przekształca się w swój izomer. Inaczej mówiąc, zmienia się w związek o identycznym wzorze sumarycznym, ale o różnej budowie cząsteczkowej lub innym rozmieszczeniu atomów w przestrzeni.
– Mniej więcej chodzi o to, ile fotonów musi zaabsorbować cząsteczka motoru, żeby wykonać jeden obrót. W idealnym przypadku byłyby to dwa fotony. Oznaczałoby to, że wydajność kwantowa fotochemicznej izomeryzacji tego motoru jest stuprocentowa, czyli każdy foton zaabsorbowany przez cząsteczkę jest zamieniony na ruch mechaniczny. Nasze wykazywały około 80% – mówi badacz.
Naukowcy wskazują, że motory molekularne wykazywały taką samą wydajność w roztworze i w matrycy polimerowej. To daje większe możliwości praktyczne wykorzystania ich w przyszłości.
– W roztworze mówimy o bardzo dużym rozcieńczeniu, te cząsteczki „nie widzą” siebie, mają dużą swobodę translacji, rotacji itp. Natomiast w matrycy polimerowej panuje bardzo duże „zagęszczenie”, więc rotacja silników molekularnych przypomina raczej ruch w ciele stałym niż w roztworze. Innymi słowy, w roztworze wykonać taki obrót jest bardzo prosto, a w matrycy polimerowej dużo trudniej. Możemy domniemywać, że taki motor mógłby się na przykład również obracać w bardzo lepkich ośrodkach, takich jak wnętrze komórki – podkreśla chemik.
Kolejnym, jednym z największych wyzwań jest synchronizacja działania wielu różnych motorów molekularnych. Bo przecież tak funkcjonują w przyrodzie. Wskazywał na to już w rozmowie z Serwisem Naukowym UW prof. Ben Feringa, pionier nanochemii i noblista, również członek wspomnianego zespołu badaczy.
– Wiele zespołów pracuje na różnych „odcinkach”. Jeden z nich to jest właśnie zoptymalizowanie struktury pojedynczej cząsteczki, tak aby ona pracowała w sposób jak najbardziej efektywny. Podobnie jak w samochodach chcemy mieć wydajne silniki, które nie spalają zbyt dużo benzyny, tak w przypadku silników molekularnych zależy nam na jak największej wydajności. A drugim odcinkiem, na którym też bardzo intensywnie pracujemy, to jest jak sprawić, żeby zsynchronizować ich pracę w czasie i w przestrzeni. Żeby działały po prostu wspólnie, czyli jak biologiczne maszyny molekularne – mówi dr Danowski.
Materiały z science-fiction
Opublikowane wyniki badań otwierają nowe możliwości projektowania wysokowydajnych motorów molekularnych o zadanych funkcjach, które mogą znaleźć zastosowanie w nowoczesnych materiałach.
Szczególne znaczenie ma napędzanie światłem słonecznym, bo znacząco wydłuża żywotność maszyn molekularnych, poprawia ich sprawność i zapewnia precyzję ruchu. W porównaniu do motorów sterowanych chemicznie, napędzanych energią cieplną, pozwala na powstanie zaledwie jednego błędu na kilkanaście milionów obrotów.
Choć, jak podkreśla dr Danowski, droga od laboratorium do zastosowania silników molekularnych w praktyce jest jeszcze długa, to już dziś można projektować do czego będą mogły służyć.
Na przykład dostarczą leki lub substancje aktywne do precyzyjnie określonego miejsca zmienionego nowotworowo. Taka celowana terapia zniszczy guza, nie nadwerężając sił całego organizmu i nie niszcząc innych tkanek.
Można już także myśleć o tworzeniu materiałów, które pod wpływem światła będą zmieniać kształt albo właściwości. Albo wykonywać jakieś prace: na przykład same się wyczyszczą lub naprawią.
Pod wpływem światła tkaniny będą zmieniać swoją strukturę, ułatwiając usuwanie zabrudzeń lub odpychając kurz i wodę, drobne zarysowania karoserii samochodów znikną po wystawieniu na słońce. A szyby nie tylko pozostaną czyste, ale będą mogły automatycznie zmieniać przezroczystość lub stopień przepuszczania ciepła, ograniczając zużycie energii na klimatyzację.
– Motory molekularne można wykorzystywać na mnóstwo różnych sposobów. Może to być transport substancji aktywnych w konkretne miejsce. Innym możliwym kierunkiem jest miękka robotyka: można sobie wyobrazić polimerową folię zawierającą motory molekularne, która pod wpływem światła zwija się, wygina lub zmienia kształt w zaprogramowany sposób. Potwierdzenie tezy, że te cząsteczki mogą działać i rzeczywiście coś robić, znajduje się w każdym żywym organizmie – podkreśla dr inż. Wojciech Danowski.
