Molecular-Level Machines

What are the possibilities of small but movable machines? [...]Lubrication might not be necessary. Bearings could run dry; they wouldn’t run hot because heat escapes from such a smalldevice very, very rapidly. [...]An internal combustion engine of that size is impossible. Otherchemical reactions, liberating energy when cold, can be usedinstead. [...]

What would be the utility of such machines? Who knows? [...]I cannot see exactly what would happen, but I can hardly doubtthat when we have some control of things on a molecular scale we will get an enormously greater range of possible propertiesthat substances can have, and of the different things we can do.

Richard Feynman

Dispositivi e macchine (macroscopici)

dispositivo oggetto inventato e costruito per uno scopo particolare

macchina un apparato per l’utilizzo di una forza meccanica, fatto di diverse parti ognuna con una funzione definita

motore una macchina che fornisce forza motrice (per un veicolo o un altro dispositivo con parti in movimento)

Un dispositivo molecolare è un insieme ordinato di componenti molecolari (struttura sopramolecolare) capace di svolgere una funzione (complessa) che è ilrisultato della cooperazione di semplici “atti” compiuti da ogni componente

Una macchina molecolare è un tipo particolare di dispositivo molecolare che produce un moto meccanico, cioè, i cui componenti possono essere messi in moto in seguito ad uno stimolo esterno

Congegno macroscopico

componentimacroscopici

congegnomacroscopico

Congegno molecolare

atti semplici funzione complessa

componentimolecolari

sistemasupramolecolare

FUNZIONEFUNZIONE

componentimolecolari

progettazionee sintesi

proprietproprietàà(chimiche,

fotochimiche, redox, …)

sistemasupramolecolare

autoassemblaggio, sintesi

Macchine molecolari artificiali : pinze molecolari

Pinze macroscopiche

Pinze molecolari

(controllate per via fotochimica)

Azobenzeni

polimero

molecola

Azobenzeni

Pinza ottica

Cavità di dimensioni variabili

Macchine e motori molecolari

Le macchine molecolari, come i loro corrispettivi macroscopici, sonocaratterizzati da:

(1) Il tipo di energia fornito per farli lavorare(2) il tipo di movimento eseguito dai loro componenti(3) Il modo in cui la loro operazione può essere controllata e monitorata(4) la possibilità di ripetere l’operazione a piacere (processo ciclico)(5) la scala temporale necessaria per completare un ciclo di operazione(6) la funzione eseguita

Motori molecolari naturali

La “fabbrica” dell’ATP, un motore molecolare rotante

T. Elston, H. Wang, G. Oster, Nature, 1998, 391, 510.

αγ

α β

β β

α

C

1

2

3

H+

H+

H+H+H+

H+H+

Alta concentrazionedi ioni idrogeno

Bassa concentrazionedi ioni idrogeno

H+H+

H+H+

H+

H+

H+H+

H+ H+ H+

H+H+H+ H+

H+

H+H+γ

F0

F1

10 nm

Un nanocongegno artificialeazionato da un motore molecolare naturale

γ ATP

ADP + Piββα

Histidine tag

Ni post

Ni rod

C.D. Montemagno et al., Science, 2000, 290, 1555; Nature Materials, 2002, 1, 173.

(~1 μm)

Molecular Tweezers basati su effetti allosterici

Effetto allosterico : modifica dalla capacità di legame (o di un’altra proprietà) di un sito in una molecola o specie sopramolecolare derivata da un riarrangiamentoconformazionale indotto dal legame con un altro sito remoto; l’effetto allosterico può essere positivo o negativo

Schema del funzionamento dell’enzima aspartato transcarbamilasi (ATCasi). Lesottounità catalitiche e regolatorie sono mostrate rispettivamente in bianco e grigio. (a) Ilsito attivo è disponibile; (b) la citidina trifosfato (CTP), uno dei prodotti finali della catena enzimatica, si lega a un dominio regolatorio, chiudendo il sito attivo.

sarcomero (~3 μm)

filamento di actina

filamento di miosina

forma espansa forma contratta

filamenti interdigitati di miosina (“spessi”)e di actina (“sottili”) nei sarcomeri

Teste della miosina

Base molecolare della contrazione

Durante la contrazione ogni testa si estende e si lega fortemente al sottile filamento formando dei ponti

Quando tocca il filamento, la testa della miosinasi piega immediatamente verso il centro del sarcomero (power stroke)

Quindi il filamento sottile si muove di 5-15 nmlungo il filamento spesso

Diversamente dagli altri motori, la miosinarimane in contatto con il suo cargo solo ~ 5% del tempo

Il movimento sembra continuo (2 nm/ms) perché ogni filamento viene in contatto con circa 100 teste di miosina

(1) Energia fornita

Energia chimica

• usata nei motori molecolari naturali per produrre lavoro meccanico (idrolisi dell’ATP)• moltissime reazioni chimiche disponibili• è necessario fornire “combustibile” e rimuovere i “prodotti di scarto”

Energia elettrica

• processi redox- Facilità di controllo (switching on/off rapido e facile)- Facilità di implementazione (elettrodi)- Gli elettroni, oltre a fornire energia, possono anche essere usati per “leggere” lo stato del sistema (e.g. voltammetria)- Necessità di “collegare” il sistema• campi elettrici

Energia luminosa

• usata nei dispositivi molecolari naturali per scopi di conversione dell’energia (produzione di combustibili, e.g. ATP)- Processi di electron-transfer fotoindotti• l’uso della luce ha molti vantaggi- switching on/off rapido e facile- Possibilità di lavorare in spazi molto piccoli (fino a livello di singola molecola, anche se esiste il limite di diffrazione) e su scale temporali brevi- Non si ha la necessità di “toccare” o “collegare” il sistema- I fotoni, oltre a fornire energia, possono anche essere usati per “leggere” lo stato del sistema (e.g. spettroscopia)

(2) Tipo di movimento

• Cambiamenti della struttura molecolare (e.g. sistemi allosterici)• Assemblaggio/disassemblaggio (e.g. di sistemi host/guest)• Trasporto (e.g. di ioni metallici)• Movimenti lineari (e.g. un anello lungo un filo)• Contrazione/estensione (muscoli artificiali)• Moti rotatori (e.g. di sottounità attorno a un legame covalente)• …….

(3) Controllo e monitoraggio

• A livello di “insieme” (e.g. in soluzione)• A livello di singola molecola

• Per permettere il controllo e il monitoraggio dell’operazione di una macchina molecolare, i cambiamenti di posizione dei componenti mobili devono provocare cambiamenti leggibili delle proprietà del sistema. A questo scopo, si può usare qualsiasi tipo di tecnica chimica o fisica.- Tecniche spettroscopiche (NMR, EPR, Assorbimento UV-vis-IR, Luminescenza)- Metodi elettrochimici (voltammetria, …)- Scanning probe microscopies (STM, STS, …)

(4) Reset (ciclicità del processo)

Dato che le macchine e i motori lavorano in modo ciclico, tutte le reazioni chimiche legate ai movimenti eseguiti dai componenti devono essere reversibili.

La reversibilità è soddisfatta ragionevolmente bene da diverse reazioni, e.g.- Reazioni di trasferimento di protoni- Reazioni di trasferimento di elettroni- Processi di fotoisomerizzaione- Reazioni di coordinazione metallo-ligando

pseudorotassano

rotassano

catenano

Pseudorotaxani, catenani e rotaxani: macchine molecolari artificiali

Rotassani e catenani

Rotassano

O O O SiO

OOOSi O

N N

N N

+ +

+ +

Catenano

O O OO

O O OO

N N

N N

O

O

+ +

+ +

OOOO

O

OO O O

ON

N

+

+

Interazionielettron

donatore/accettore

O

O O

O O O

O O

Legami aidrogeno

NH2

+

+

autoassem-blaggio

pseudorotassano

2 xrotassano

catenano

Sintesi di rotassani e catenani

Rotassani e catenani: prototipi di macchinemolecolari artificiali

“wheeland axle”

shuttling

ruotae asse

“shuttling”

mutualring rotation(“ball andsocket joint”)

“universaljoint”

rotazione relativa

degli anelli molecolari

giuntocardanico

Un “meccano” molecolare

π-elettronaccettori

π-elettron donatori

fotosensibilizzatori

componenti perlegami a idrogeno

Moti lineari in un rotassano: una “navetta” molecolareE

nerg

ia

Posizione

Ene

rgia

Posizione

Stimolo

Stimolo

Architettura supramolecolare “a tre rami”

OOO

O OOOO

H2N

N

N+

+

+

“Navetta” molecolare azionata chimicamente

stazioneammonio

stazionebipiridinio

_ H+

+ H+

OOO

OO

O OO

OOO

OOO

OO

O

OO O

O

OOO

+

NH2NH2

H2N

+ +

+

OOO

OO

O OO

OOO

OOO

OO

O

OO O

O

OOO

+

telaio

piattaforma

NH2

H2N

NH2

+

+

+

N

N

+

NN

N

N

+

+

+

+

+

H2N

OO

O OOO

OO

OOOO

OO O

O

O

OOO

OO

O

H2N

NH2

N

N

N

N

N

N

+

+

+

+

+

+

autoassem-blaggio

Un prototipo di “ascensore” molecolareazionato chimicamente in soluzione

++

+

+

+

+

J.D. Badjić, V. Balzani, A. Credi, S. Silvi, J.F. Stoddart, Science, 2004, 303, 1845

++

+

+

+

+

J.D. Badjić, V. Balzani, A. Credi, S. Silvi, J.F. Stoddart, Science, 2004, 303, 1845

Un prototipo di “ascensore” molecolareazionato chimicamente in soluzione

3.5 nm

2.5 nm

Modello dell’ ”ascensore” molecolare

A (3

10 n

m)

1.05

1.25

1.35

Ripetizione del moto dell’ “ascensore” con cicli acido-base

CH3CN, RT, C = 5 μM

Aggiunta di base (t-BuP1)

Aggiunta di acido (CF3COOH)

Numero di cicli

Asso

rban

zaa

310

nm

Alcune considerazioni energetiche

3.5 nm

Spostamento della piattaforma: ~0.7 nm

Energia liberata:moto su→giù (agg. base): ~22 kcal/mol = 1.5 x 10–19 J/molecolamoto giù→su (agg. acid): >4 kcal/mol = 2.8 x 10–20 J/molecola

Forza massima che può esserepotenzialmente sviluppata (su→giù): 200 pN (miosina V, 3 pN)

– 3H+2.5nm

+ 3H+

• fissare ed azionare l’ “ascensore” su una superficie• far funzionare il congegno a livello di molecola singola

++

+

+

+

+

++

+

+

+

++ 3H+

– 3H+

Quale futuro per l’ “ascensore” molecolare?

azione di “dita”molecolari

++

+

+

+

+molecolaospite

++

+

+

+

+

apertura/chiusuradi una cavità nanometrica

Quale futuro per l’ “ascensore” molecolare?

• controllo della capacità di catturare/rilasciare altre molecole

Un nanomotore autonomo azionato dalla luce visibile

hν

Chem. Eur. J. 2000, 6, 3558

NN

N

NNN

RuII

NN N

N O O

++ +

+

O

O

O

O

OO

O

O

O

Fotosensibiliz-zatore e stopper

Spaziatorerigido

Elettronaccettore A2

Elettronaccettore A1

Stopper

Macrocicloelettron donatore

“West side”

“East side”

Macrociclo

Componentefiliforme

Meccanismodi funzionamentoR

TP S A2 A1

hν1

e-

2

S

R

TP+ A1_

A2

3

e-4

S

R

TA2 A1_

P+

5e-

A2S

R

TP A1

6

R

TP S A2 A1

hν1

e-

2

S

R

TP+ A1_

A2

3

e-4

S

R

TA2 A1_

P+

5e-

A2S

R

TP A1

6

Un nanomotore molecolare “a quattro tempi”

Rotazione di macrocicli in catenani

rotazione degenere

Rotazione controllata di macrocicli in catenani

Rotazione di un macrociclo asimmetrico rispetto a quella di uno simmetrico in un[2]catenano, controllato da uno stimolo esterno

Rotazione unidirezionale di macrocicli in catenani

Muscoli artificiali

Cu(II) stato pentacoordinato

Cu(I) stato tetracoordinato

Stato contratto (PPR8+) e stato esteso (PPR12+) del prototipo di muscolo molecolare.

forma espansa forma contratta

Modificazione della molecola (introduzione di ponti disolfuriterminali) per permetterne l’ancoraggio a un substrato (oro)

Attuatore chemomeccanico

Interruttori molecolari: catenani

[A0] rappresenta sia la struttura dello stato fondamentale del [2]catenano sia lo stato “aperto” del dispositivo. Quando il [2]catenano viene ossidato (applicando una tensione di -2 V), i gruppi TTF (verde) vengono ionizzati e sono soggetti a una repulsione Coulombiana da parte del ciclofano tetracationico (blu), provocando la rotazione dell’anello e la formazione del coconformero [B1]. Quando la tensione viene riportata circa a zero, si forma il conformero [B0], che rappresenta l’interruttore “chiuso”.