Quattro enormi bracci robotici circondano il luccicante involucro di metallo di quella che presto sarà un'automobile di alta gamma. Entrano nella vita, attaccando il cofano, gli specchietti retrovisori, e altri pannelli. È il tipo di operazione di precisione che puoi trovare nelle fabbriche automobilistiche di tutto il mondo in questi giorni. Ma ecco una domanda che vale la pena considerare:potremmo realizzare un'impresa come questa solo circa un miliardo di volte più piccola?

Nel 2016, tre pionieri delle macchine molecolari sono stati premiati con un premio Nobel. La prima tranche di macchine molecolari per la quale sono stati premiati per la creazione erano per lo più cose semplici come rotori, interruttori e simili. Ora, chimici come il professor David Leigh dell'Università di Manchester, UK., stanno cercando di costruire macchine molecolari sofisticate con diversi componenti e che possono svolgere lavori utili.

Costruire una macchina molecolare è un lavoro per i chimici d'élite, ma i trucchi di base del mestiere sono abbastanza facili da comprendere. Alcuni di essi comportano la costruzione di molecole che sono collegate meccanicamente l'una all'altra. Ad esempio, potrebbero costruire un rotaxano, una molecola a forma di anello infilata su un albero. Posizionando diversi gruppi di atomi lungo l'asta e quindi manipolando le loro proprietà, ad esempio, dare e togliere una carica elettrostatica può spingere l'anello a muoversi lungo l'albero. Questo è il tipo di componente semplice che potrebbe essere utilizzato in una macchina molecolare più elaborata.

Fabbrica biochimica

Che tipo di cose potremmo fare con una macchina molecolare più avanzata, o "nanobot, " come li chiamano alcuni? Il prof. Leigh è particolarmente interessato alla costruzione di nanobot che agiscano come una catena di montaggio chimica, sintetizzare nuove sostanze chimiche con proprietà interessanti. È ispirato dal ribosoma, una fabbrica biochimica nelle cellule che costruisce proteine. Ci vogliono semplici elementi costitutivi chiamati amminoacidi, che sono disponibili in appena 20 diverse varietà naturali, e li cuce insieme in lunghe catene o polimeri. A seconda della sequenza degli amminoacidi, quelle catene si ripiegano in una serie di biomateriali, dalla cheratina che compone pelle e capelli alle fibre dei muscoli.

I chimici hanno prodotto molti polimeri artificiali, ma è estremamente difficile controllare l'ordine in cui sono uniti gli elementi costitutivi. "I polimeri sequenza-specifici sono una sfida irrisolta in chimica, " ha detto il Prof. Leigh. Ma pensa che le macchine molecolari potrebbero essere una soluzione. Se avessimo macchine molecolari in grado di assemblare polimeri, non sarebbero limitati ai soli 20 elementi costitutivi di aminoacidi naturali, quindi il risultato potrebbe essere una gamma molto più ampia di materiali.

Raggiungere macchine in grado di produrre polimeri specifici per sequenza è tutt'altro che banale, afferma la professoressa di chimica Nathalie Katsonis dell'Università di Groningen nei Paesi Bassi. "Ma sono convinto che questa ricerca giocherà un ruolo importante nel (il) futuro della chimica, e forse anche della scienza dei materiali."

Il Prof. Leigh ha perseguito questo obiettivo attraverso il suo progetto MOLFACTORY, iniziata nel 2014. In un documento chiave del 2017, Il prof. Leigh e il suo team hanno dimostrato di poter costruire un braccio robotico molecolare, una versione semplificata e molto più piccola di quelle che mettono insieme le auto. Questo braccio afferra una sostanza chimica reattiva e la sposta in uno dei due siti. A seconda del sito in cui è posizionato, la sostanza chimica reagisce in modi diversi per produrre prodotti chimici diversi. Sviluppato ulteriormente, macchine come questa potrebbero produrre polimeri sequenza-specifici simili alle proteine ​​prodotte dai ribosomi. E proprio come proteine ​​diverse possono generare forza (muscolo) o essere cinque volte più forti dell'acciaio (seta di ragno), che potrebbe consentire cose simili con polimeri artificiali come un polistirene sequenza-specifico.

"David e il suo gruppo stanno facendo un lavoro straordinariamente creativo, " ha affermato il professor Raymond Astumian dell'Università del Maine a Orono, Stati Uniti "Non solo le macchine molecolari che fanno hanno un potenziale uso pratico, ma sono anche diretti a rispondere a domande fondamentali».

Un altro progetto, chiamato ProgNanoRobot, guidato dal Dr. Germán Zango che lavora nel laboratorio del Prof. Leigh, ha cercato di portare oltre questo robot di produzione. Il progetto aveva una serie di obiettivi, compresa la produzione di bracci robotici che potrebbero funzionare con un combustibile chimico e un nano-dispositivo in grado di trasportare carichi molecolari su lunghe distanze su scala atomica.

Il progetto si è svolto tra il 2019 e il marzo 2021 e, ad oggi, non vengono pubblicati risultati. Ma il dottor Zango ha avuto alcuni successi chiave. Ha detto di aver prodotto un dispositivo in cui un carico molecolare potrebbe essere prodotto da un braccio robotico all'altro, raggiungere l'obiettivo del trasporto su lunghe distanze.

"Lavorare su una ricerca che potrebbe condurci verso gli albori della nanotecnologia molecolare utile è stata allo stesso tempo una sfida enorme e un'esperienza entusiasmante, " disse il dottor Zango.

Trigger

Nel futuro prossimo, ci sono diverse grandi sfide che la ricerca sui nanobot deve superare. Al momento, spesso accade che le macchine molecolari debbano essere alimentate con un numero di inneschi chimici in una serie particolare per farle funzionare. Se i sistemi dovessero essere utilizzati per produrre polimeri su larga scala, produrrebbe molti rifiuti. Parte del lavoro del Dr. Zango ha indagato sulla riduzione del numero di inneschi chimici necessari o sull'uso della luce come innesco. "Una delle cose più impegnative che stavamo cercando di ottenere era utilizzare un singolo input chimico per alimentare un intero ciclo operativo della macchina o utilizzare solo fotointerruttori, " disse il dottor Zango.

Un'altra grande sfida, dice il prof. Leigh, è la correzione degli errori. Le macchine su scala nanometrica sono nettamente diverse dai robot su scala umana in quanto sono sempre soggette a stocasticità; puoi impostare una macchina molecolare per fare un lavoro particolare, ma non puoi mai assicurarti che funzioni sempre correttamente. La biologia deve affrontare questo problema, pure. Nel corpo umano c'è un insieme di macchine molecolari che costruiscono biomolecole e un altro insieme con il compito specifico di trovare e correggere gli errori commessi dal primo insieme. Il prof. Leigh dice che a un certo punto, le macchine molecolari artificiali dovranno includere meccanismi di correzione degli errori. Questo tipo di lavoro è ancora agli inizi.

Ancora, nell'ottobre 2020, Il prof. Leigh e il suo team hanno compiuto un passo significativo verso un sintetizzatore di polimeri con sequenza specifica. Hanno costruito un robot basato sul rotaxane in cui un anello "cammina" lungo un binario, raccogliere molecole lungo il percorso e unirle insieme. I risultati hanno unito insieme solo quattro molecole, ben lontane dalle centinaia o migliaia in una proteina, ma è stato comunque un grande passo.

Il prof. Leigh ha detto che a volte può sembrare che ci sia un clamore su ciò che le macchine molecolari possono fare. Ma secondo lui sarà giustificato a lungo termine. "Penso davvero che alla fine le macchine molecolari rivoluzioneranno le cose come hanno fatto la rivoluzione industriale o Internet, " ha detto. Ma ci vorrà sicuramente tempo, Ha aggiunto.

Ammette che non c'è niente che possa ancora fare con una macchina molecolare che non possa essere fatto più semplicemente con altri mezzi. Ma quando stai inventando qualcosa di nuovo, c'è un po' da aspettarselo. "È molto simile all'uomo dell'età della pietra che costruisce una ruota per macinare il mais, " disse il prof. Leigh. "Lui non sa che un giorno sarà usato per fare una macchina."