Usando la natura per l'ispirazione, un team di scienziati della Northwestern University è il primo a sviluppare una pompa molecolare completamente artificiale, in cui le molecole pompano altre molecole. Questa piccola macchina non è un'impresa da poco. La pompa un giorno potrebbe essere usata per alimentare altre macchine molecolari, come i muscoli artificiali.

La nuova macchina imita il meccanismo di pompaggio delle proteine ​​vitali che muovono piccole molecole intorno alle cellule viventi per metabolizzare e immagazzinare energia dal cibo. Per il suo cibo, la pompa artificiale trae energia dalle reazioni chimiche, guidando le molecole passo dopo passo da uno stato a bassa energia a uno stato ad alta energia, lontano dall'equilibrio.

Mentre la natura ha avuto miliardi di anni per perfezionare il suo complesso meccanismo molecolare, la scienza moderna sta solo iniziando a scalfire la superficie di ciò che potrebbe essere possibile nel mondo di domani.

"La nostra pompa molecolare è la chimica radicale, un modo ingegnoso di trasferire energia da una molecola all'altra, come fa la natura, " disse Sir Fraser Stoddart, l'autore senior dello studio. Stoddart è il Board of Trustees Professor of Chemistry presso il Weinberg College of Arts and Sciences della Northwestern.

"Tutti gli organismi viventi, compresi gli umani, devono trasportare e ridistribuire continuamente le molecole intorno alle loro cellule, utilizzando proteine ​​trasportatrici vitali, " ha detto. "Stiamo cercando di ricreare le azioni di queste proteine ​​utilizzando piccole molecole relativamente semplici che facciamo in laboratorio".

I dettagli della pompa molecolare artificiale sono stati pubblicati il ​​18 maggio dalla rivista Nanotecnologia della natura .

Chuyang Cheng, uno studente laureato del quarto anno nel laboratorio di Stoddart e primo autore dell'articolo, ha trascorso il suo dottorato di ricerca studi alla ricerca di molecole che imitano i macchinari biochimici della natura. Ha progettato per la prima volta una pompa artificiale due anni fa, ma ci volle più di un anno di test sui prototipi prima che trovasse la struttura chimica ideale.

"In alcuni aspetti, chiediamo alle molecole di comportarsi in un modo che non farebbero normalmente, " Ha detto Cheng. "E 'molto come cercare di spingere due magneti insieme. Le molecole a forma di anello con cui lavoriamo si respingono in circostanze normali. La pompa artificiale è in grado di assorbire parte dell'energia che cambia di mano durante una reazione chimica e la usa per spingere insieme gli anelli".

La minuscola macchina molecolare infila gli anelli attorno a una catena nanoscopica, una sorta di asse, e li schiaccia insieme, con solo pochi nanometri che li separano. Attualmente, la pompa molecolare artificiale è in grado di forzare insieme solo due anelli, ma i ricercatori ritengono che non passerà molto tempo prima di poter estendere il suo funzionamento a decine di anelli e immagazzinare più energia.

Il team di Stoddart ha studiato macchine molecolari artificiali per diversi anni. Una sfida che devono affrontare da molto tempo è come alimentare le loro macchine. Quest'ultimo progresso potrebbe consentire loro di realizzare macchine che svolgono compiti a livello molecolare.

Rispetto al sistema della natura, la pompa artificiale è molto semplice, ma è un inizio, dicono i ricercatori. Hanno progettato un nuovo sistema, utilizzando barriere cinetiche, che permette alle molecole di fluire "in salita" energeticamente.

"Questa è chimica di non equilibrio, allontanando le molecole dal loro stato energetico minimo, che è essenziale per la vita, " ha detto Paul R. McGonigal, un autore dello studio. "Conducendo la chimica di non equilibrio in questo modo, con semplici molecole artificiali, è una delle maggiori sfide per la scienza nel 21° secolo".

In definitiva, intendono utilizzare l'energia immagazzinata nella loro pompa per alimentare muscoli artificiali e altre macchine molecolari. I ricercatori sperano anche che il loro design possa ispirare altri chimici che lavorano nella chimica del non equilibrio.

"Questo è completamente diverso dal processo di progettazione dei macchinari che siamo abituati a vedere nella vita di tutti i giorni, "Stoddart ha detto. "In un certo senso, bisogna imparare a vedere le cose dal punto di vista delle molecole, considerando forze come il movimento termico casuale che non si considererebbe mai quando si costruisce una pompa dell'acqua agricola o qualsiasi altro dispositivo meccanico."