Molekulinis variklis

Raiso (Rice) universiteto profesorius Anatolijus Kolomeiskis (Anatoly Kolomeisky) kartu su savo studentu Alekseju Akimovu (Alexey Akimov) nagrinėja molekulinio rotoriaus veikimą. Savo darbą jie publikavo „Journal of Physical Chemistry C“ žurnale. Atlikę molekulių dinamikos skaičiavimus, mokslininkai nustatė pagrindinės molekulės, pritvirtintos prie aukso paviršiaus, sukamojo judėjimo savybes. Manoma, kad šių mažyčių variklių nagrinėjimas padės suprasti, kaip veikia molekuliniai motorai žmogaus kūne.

Pasak Kolomeiskio, jų aprašytas judėjimas yra stebimas visur gamtoje. Labiausiai ryškus pavyzdys būtų bakterijos žiuželis, kurio sukimasis yra panaudojamas judėjimui. „Kai žiuželis sukasi laikrodžio rodyklės kryptimi, bakterija juda pirmyn, kai jis sukasi prieš laikrodžio rodyklę – jinai verčiasi. Dar mažesniam lygmenyje pavyzdžiu gali būti ATP sintezė. Čia vyksta sukimasis, kurio atradimas buvo įvertintas Nobelio premija.

„Svarbu suprasti, kaip gaminti ir kontroliuoti molekulinius rotorius, ypač sudėtingus, nes tai leistų sukurti naujas mašinas, galinčias dirbti nanopasaulyje“, – pasakė Kolomeiskis. Jis mano, kad tada būtų galima gaminti, pavyzdžiui, nanofiltrus, kurie praleistų tik tam tikrą suderintą signalą, priklausantį nuo nanorotoriaus dažnio.

„Tai būtų labai reikalinga, nors ir brangi, medžiaga, – jis pasakė. – Jei aš sugebėčiau pagaminti šimtus tokių rotorių, kurie judėtų pagal mano komandą, tai būčiau labai laimingas.“

Profesorius ir jo studentas savo skaičiavimuose atmetė keletą parametrų, palikdami tik tuos, kurie juos labiausiai domino. Sumodeliuota molekulė viduryje turi sieros atomą, stipriai surištą su alkilo grandinės pora, kuri lyg sparnai gali lengvai suktis pakaitinus. Sieros atomas prikabina visą molekulę prie aukso paviršiaus.

Ankstesniame savo vykdytame tyrime mokslininkai dirbo su Taftso (Tufts) universiteto tyrėjais. Jų gautame fotografiniame vaizde (naudojant skenuojantį tunelinį mikroskopą) matyti besisukančios sieros-alkilo molekulės ant aukso paviršiaus. Temperatūrai didėjant vaizdas kito. Pradžioje buvo matyti tiesinė molekulės struktūra, paskui pasirodė stačiakampės formos, ir galiausiai šešiakampiai. Tai rodė judėjimą. Neaiški buvo tik stebėto sukimosi priežastis. Buvo reikalingas kompiuterinis modeliavimas. Skaičiavimuose teko išbandyti įvairiausias molekulės konfigūracijas. Ištirtos dvi simetrinės grandinės, asimetrinės ir netgi viena grandinė. Išbandyti ir keli aukso paviršiaus tipai. Tik po modeliavimo jiems pavyko nustatyti pagrindines charakteristikas, kurios lemia molekulės judėjimą.

Visų pirma, profesorius pasakė, kad simetrija ir aukso paviršiaus struktūra turi didžiulę įtaką rotoriaus gebėjimui pereiti energijos barjerą, kuris trukdo molekulei pastoviai suktis. Jei abu molekulės sparnai yra arti aukso atomų, kurie stumia juos nuo savęs, barjeras yra didelis. Bet jei vienas sparnas yra toliau nuo paviršiaus, arba jo iš viso nėra, tai energijos barjeras yra žymiai mažesnis.

Antra, simetrinis rotorius sukasi greičiau nei antisimetrinis. Ilgesni antisimetrinio rotoriaus sparnai reikalauja daugiau energijos, kad pradėtų judėti. Tokio rotoriaus sparnai vienas kitam trukdo. Simetrinės molekulės sparnai vienas kitą kompensuoja: kai vienas artėja prie paviršiaus, kitas nuo jo tolsta.

Tačiau, pasak Kolomeiskio, cheminių ryšių tarp sieros ir alkilo pobūdis lemia rotoriaus savybę suktis.

Galiausiai, cheminė besisukančių grupių prigimtis yra taip pat labai svarbus faktorius.

Kolomeiskis pasakė, kad tyrimas atveria naujus kelius ieškant sudėtingesnių besisukančių molekulių. Vis tik ATP sintezės grandinės yra per didelės, kad jas būtų galima taip modeliuoti. „Bet kompiuterių pajėgumai didėja, tyrimų metodai tobulėja ir galbūt vieną dieną mes būsime pajėgūs analizuoti ir tokias ilgas molekules“, – pasakė jis.