I chimici di solito sintetizzano molecole usando collisioni stocastiche che formano legami delle molecole reagenti in soluzione. La natura segue una strategia diversa nella sintesi biochimica. La maggior parte delle reazioni biochimiche è guidata da complessi proteici di tipo macchina che legano e posizionano le molecole reattive per trasformazioni selettive. Gli "assemblatori molecolari" artificiali che eseguono la "meccanosintesi" sono stati proposti come un nuovo paradigma in chimica e nanofabbricazione. Un team di chimici dell'Università di Kiel (Germania) ha costruito il primo assemblatore artificiale, che compie sintesi e utilizza la luce come fonte di energia. Il sistema combina il legame selettivo dei reagenti, posizionamento accurato, e rilascio attivo del prodotto. Gli scienziati hanno pubblicato i loro risultati sulla rivista Chimica delle comunicazioni .

L'idea degli assemblatori molecolari, che sono in grado di costruire molecole, è già stato proposto nel 1986 da K. Eric Drexler, basato sulle idee di Richard Feynman, Premio Nobel per la Fisica. Nel suo libro "Engines of Creation:The Coming Era of Nanotechnology" e nelle pubblicazioni successive Drexler propone macchine molecolari in grado di posizionare molecole reattive con precisione atomica e di costruire strutture più sofisticate tramite la meccanosintesi. Se un simile nanobot molecolare potesse costruire una qualsiasi molecola, potrebbe certamente costruire un'altra copia di se stesso, cioè potrebbe autoreplicarsi. Queste visioni fantasiose hanno ispirato numerosi autori di fantascienza, ma ha anche avviato un'intensa controversia scientifica.

Il problema delle "dita appiccicose"

Il dibattito è culminato in un articolo di copertina di Chemical &Engineering News nel 2003 con la domanda chiave:"Sono possibili assemblatori molecolari, dispositivi in ​​grado di posizionare atomi e molecole per reazioni definite con precisione?" Qui il premio Nobel Richard E. Smalley ha sollevato due obiezioni principali:il problema delle "dita grasse" e delle "dita appiccicose":per afferrare e guidare ogni singolo atomo l'assemblatore deve avere molte nano-dita. Smalley ha sostenuto che non c'è abbastanza spazio nella regione di reazione di dimensioni nanometriche per ospitare tutte le dita di tutti i manipolatori necessari per avere il controllo completo della chimica. Il problema del "dito appiccicoso" nasce dal problema che gli atomi delle mani del manipolatore aderiranno all'atomo che viene spostato. Quindi sarà spesso impossibile rilasciare il blocco costitutivo esattamente nel punto giusto. Smalley conclude che i problemi di grasso e dita appiccicose sono fondamentali e non possono essere evitati.

Guardando gli assemblatori molecolari della natura

Però, in natura, esistono numerosi esempi di assemblatori molecolari, come il ribosoma, sintetasi peptidiche non ribosomiali, sintasi polichetidi, e ATP-sintasi. "In termini di assemblatori molecolari possiamo affermare, se la natura utilizza assemblatori molecolari per la sintesi, i chimici dovrebbero, almeno in linea di principio, essere in grado di costruire e far funzionare assemblatori artificiali in laboratorio", dice Rainer Herges, professore di Chimica Organica e portavoce del Collaborative Research Center 677 "Function by Switching" presso la Kiel University.

Herges e il suo team ora hanno costruito il primo assemblatore artificiale, che utilizza la luce come fonte di energia. Guardando gli assemblatori molecolari in natura, hanno cercato di ridurre sistematicamente la loro sofisticatezza e complessità a un livello, ottenibile con la chimica di sintesi. La sintesi di ATP da ADP e fosfato e le sintetasi peptidiche non ribosomiali sono servite da modelli.

Il ligando fotocommutabile guida attraverso una reazione

Prendono i reagenti, quattro ioni vanadato, avvicinarli e concatenarli in anelli. Posizionando i reagenti, un ligando fotocommutabile guida i reagenti attraverso uno specifico canale di reazione, e si forma una molecola che non è presente nella soluzione di partenza. Il passaggio fotochimico del ligando a uno stato non vincolante innesca anche il rilascio del prodotto e risolve il problema del "dito appiccicoso". Il team di ricerca ha scelto la luce UV come fonte di energia esterna perché è conveniente da applicare e non si formano sottoprodotti interferenti in contrasto con le fonti di energia chimica.

Un cambio di paradigma nella sintesi chimica

Macchine molecolari simili, come gli assemblatori che condensano gli amminoacidi in proteine ​​innescherebbero un cambio di paradigma nella sintesi chimica. I vantaggi evidenti sono meno prodotti collaterali, enantioselettività, e percorsi sintetici più brevi poiché la meccanosintesi forza le molecole in un canale di reazione predefinito. "Inoltre, il prodotto dell'anello è più alto in energia come materiale di partenza. In altre parole, l'energia luminosa viene convertita in energia chimica", sottolinea Herges. "Sebbene la meccanosintesi con assemblatori molecolari artificiali sia estremamente impegnativa, vale la pena indagare e potrebbe fornire un nuovo modo per la conversione dell'energia luminosa".