Struttura molecolare del MOF funzionalizzato con rotaxano.(A ) Rappresentazione di un linker organico che collega quattro Zn4 inorganici O angoli. L'immagine a sinistra delinea la struttura dell'elemento costitutivo, l'immagine centrale mostra un'immagine atomistica dell'elemento costitutivo nella rappresentazione ball-and-stick e l'immagine a destra mostra una semplificazione dell'immagine atomistica. Gli angoli inorganici sono visualizzati da grandi palline gialle e la traversa molecolare (asse rotaxano) è semplificata da un bastoncino rosso. (B ) Visualizzazione della struttura dei pori da z direzione (vista dall'alto). L'immagine nell'angolo in alto a sinistra mostra l'orientamento del building block dalla z direzione. L'immagine a destra mostra la struttura dei pori della struttura MOF periodicamente assemblata. Per chiarezza, vengono omesse diverse parti del MOF, evidenziando la disposizione delle traverse (estratto in alto a destra, semplificato da una rappresentazione di bastoncini colorati), i linker organici (estratto in basso a sinistra) e gli anelli (estratto in basso a destra). La vista ingrandita illustra la disposizione relativa di tre linker all'interno di un poro. (C ) Illustrazione della disposizione delle traverse nella z direzione. L'immagine in alto mostra una vista prospettica sull'elica molecolare, formata dalle barre trasversali all'interno di un poro. L'immagine in basso mostra la disposizione a catena lungo la z direzione. Il sottile collegamento grigio tra le traverse (bastoncini colorati) è solo una guida per l'occhio sottolineando la struttura della catena. (D ) Differenziazione delle disposizioni dell'anello in tre casi, ciascuno con ambienti locali diversi. (E ) Funzione di distribuzione radiale (RDF) che misura la distanza relativa tra gli anelli per tutti e tre i casi (M , grafico viola; D , grafico verde; T , grafico blu scuro). La linea rossa segna la distanza da una catena unidimensionale adiacente. Credito:Progressi scientifici (2022). DOI:10.1126/sciadv.abn4426
I fisici dell'Università di Münster sono i primi a rivelare con successo l'interazione dinamica di una classe di macchine molecolari artificiali, le cosiddette navette molecolari, utilizzando simulazioni di dinamica molecolare. Lo studio è stato ora pubblicato su Science Advances .
Le macchine molecolari controllano un numero considerevole di processi fondamentali in natura. Integrati in un ambiente cellulare, questi processi svolgono un ruolo centrale nel trasporto intracellulare e intercellulare di molecole, nonché nella contrazione muscolare nell'uomo e negli animali. Affinché l'intero organismo funzioni, è essenziale un orientamento e una disposizione ben definiti delle macchine molecolari. Ad esempio, l'incorporamento specifico delle proteine motorie, che formano una classe di macchine biomolecolari, consente un'interazione dinamica tra le innumerevoli proteine. Di conseguenza, il movimento a livello molecolare viene amplificato e trasferito attraverso varie grandezze fino al livello macroscopico.
Ispirato da questi sistemi biologici, lo sviluppo di materiali di tipo cellulare basati su macchine molecolari artificiali è un campo di ricerca attuale. Al fine di utilizzare la cooperatività molecolare di queste macchine in materiali corrispondenti specificamente per applicazioni nella scienza dei materiali o nella medicina, è decisiva una comprensione dettagliata sia dell'incorporamento molecolare in una matrice che delle interazioni intermolecolari. Elena Kolodzeiski e il dottor Saeed Amirjalayer dell'Istituto di fisica dell'Università di Münster sono i primi a rivelare con successo l'interazione dinamica di una classe di macchine molecolari artificiali, le cosiddette navette molecolari, utilizzando simulazioni di dinamica molecolare.
Le navette molecolari sono costruite da molecole a forma di manubrio e anello che sono collegate tra loro tramite legami meccanici. "Questo collegamento meccanico a livello molecolare fa sì che l'anello possa muoversi diretto da un lato all'altro lungo l'asse. Questo specifico movimento a pendolo è già stato utilizzato per sviluppare macchine molecolari", spiega Amirjalayer, che ha guidato lo studio e recentemente si trasferì all'Istituto di teoria dello stato solido presso l'Università di Münster.
Sulla base di ciò, i ricercatori di tutto il mondo stanno lavorando su un uso mirato di queste macchine molecolari nei materiali funzionali. Le strutture metallo-organiche, che sono assemblate in un approccio modulare da unità di costruzione organiche e inorganiche, si dimostrano una matrice promettente per incorporare queste molecole meccanicamente interconnesse in strutture di tipo cellulare. Sebbene una serie di questi sistemi sia stata sintetizzata negli ultimi anni, per lo più è mancata una comprensione fondamentale dei processi dinamici in questi materiali.
"Il nostro studio fornisce una visione dettagliata di come le macchine integrate funzionano e interagiscono", afferma l'autrice principale Elena Kolodzeiski. "Allo stesso tempo, siamo stati in grado di derivare parametri che consentono di variare il tipo di movimento delle navette molecolari all'interno delle strutture metallo-organiche".
Un controllo mirato della dinamica offre possibilità promettenti per influenzare le proprietà di trasporto delle molecole nelle membrane o per coordinare i processi catalitici. I ricercatori sperano che le loro simulazioni dinamiche molecolari costituiscano la base per nuovi tipi di materiali per applicazioni catalitiche e mediche. Quanto possano essere efficienti tali materiali è dimostrato dalle varie funzionalità delle macchine molecolari nelle cellule biologiche. + Esplora ulteriormente
