”Harpoen-effect” zorgt voor extra snelheid
16 December 2019
De moleculaire machine is een rotaxaan, een moleculaire constructie waarbij een ringvormig molecuul om een langwerpig draadvormig molecuul zit, en daarbij van de ene naar de andere kant van de draad kan bewegen, net als een shuttle-bus.
De Amsterdamse onderzoekers behaalden hun recordsnelheid dankzij een nieuw moleculair ontwerp waarin één kant van de draad de shuttle als het ware naar zich toe trekt. Daarnaast gebruikten ze een heel nieuw concept om de beweging op gang te brengen, namelijk een fotochemische zuur-base reactie.
De HIMS groep Moleculaire Fotonica werkt al langer aan op rotaxanen gebaseerde moleculaire motoren waarvan de beweging met licht kan worden gestuurd. Bij de meest eenvoudige rotaxanen heeft de schuivende ring geen voorkeursrichting, en beweegt deze dus willekeurig over de draad. Bij meer geavanceerde exemplaren bevat de draad moleculaire “stations” die ervoor zorgen dat de ring een voorkeur heeft voor bepaalde plekken op de draad. Door deze stations met behulp van licht chemisch te veranderen, waardoor ze meer of minder aantrekkingskracht op de ring uitoefenen, kun je de ring van het ene station naar het andere laten bewegen. Je kunt zo een beweging op nanometer lengteschaal sturen met een lichtflits van de juiste kleur.
Dit principe wordt door de Amsterdamse groep en elders met succes toegepast (denk aan de onderzoeksgroepen van Nobelprijswinnaars Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage en Ben Feringa). Op dit moment staat het onderzoeksveld van de moleculaire machines nog in de kinderschoenen, maar mogelijke toekomstige toepassingen van dergelijke schakelbare moleculaire motors zijn bijvoorbeeld moleculaire computers.
Het enige probleem met het mechanisme is de reistijd. Als de ring op een bepaald station zit, en je maakt door middel van licht een ander station meer aantrekkelijk, moet je wachten tot de ring spontaan een keer loskomt van zijn beginstation, en vervolgens met een ongestuurde, willekeurige beweging langs de draad (een random walk) bij het sterker bindende station terecht komt. Als de draad lang is, kan dat proces lang duren.
Fred Brouwer en zijn promovendus Tatu Kumpulainen bedachten een oplossing: ze ontwierpen een moleculaire machine waarbij het eindstation zo’n sterke aantrekkingskracht heeft op de ring, dat het de draad vervormt om aan de ring te binden, en die vervolgens over de draad heen sleurt naar de eindbestemming (zie plaatje). Door dit zogenaamde harpoenmechanisme konden ze uiteindelijk een moleculaire shuttle met recordsnelheid maken. De moleculen werden gemaakt door een meester op het gebied van de organische chemie: Bert Bakker. Hij is al sinds lange tijd gepensioneerd, maar komt nog steeds met plezier naar het lab.
Om de snelheid van de moleculaire shuttle te kunnen meten werkten Brouwer en Kumpulainen samen met collega's Matthijs Panman en Sander Woutersen. Ze gebruikten daarbij een korte puls van ultraviolet licht om de beweging te starten, en vervolgens een tweede puls van infrarood licht om de beweging van de ring te volgen. De gemeten recordtijd was 30 nanoseconden voor een afgelegde afstand van een nanometer. Dat betekent een gemiddelde snelheid van 3 cm per seconde. Dat lijkt misschien langzaam, maar het is wel 4000 keer zo snel als het snelste biologische motor-eiwit (myosine, dat zorgt voor de samentrekking van onze spieren). Een van de uitdagingen voor de toekomst is om zulke kleine kunstmatige motormoleculen net zo goed te laten samenwerken als de motor-eiwitten in onze spieren.
Tatu Kumpulainen, Matthijs R. Panman, Bert H. Bakker, Michiel Hilbers, Sander Woutersen, and Albert M. Brouwer: Accelerating the Shuttling in Hydrogen-Bonded Rotaxanes: Active Role of the Axle and the End Station Journal of the American Chemical Society 2019 141 (48), 19118-19129 DOI: 10.1021/jacs.9b10005