Rotacioni molekularni motori su prvi put stvoreni 1999. godine, u laboratoriji Bena Feringe, profesora organske hemije na Univerzitetu u Groningenu. Ovi motori se pokreću svetlošću. Iz mnogo razloga, bilo bi dobro da se ovi motorni molekuli mogu učiniti vidljivim. Najbolji način da to uradite je da ih naterate da fluoresciraju. Međutim, kombinovanje dve funkcije posredovane svetlošću u jednom molekulu je prilično izazovno. Laboratorija Feringa je sada uspela da uradi upravo to, na dva različita načina. Ova dva tipa rotacionih motora sa fluorescentnim svetlom opisana su u Nature Communications (30. septembar) i Science Advances (4. novembra).
„Nakon uspešnog dizajna molekularnih motora u proteklim decenijama, važan sledeći cilj bio je da se kontrolišu različite funkcije i svojstva pomoću takvih motora“, objašnjava Feringa, koji je podelio Nobelovu nagradu za hemiju 2016. „Pošto su oni na svetlosni pogon rotacionih motora, posebno je izazovno dizajnirati sistem koji bi imao još jednu funkciju koja se kontroliše svetlosnom energijom, pored rotacionog kretanja.“
Feringa i njegov tim bili su posebno zainteresovani za fluorescenciju jer je ovo glavna tehnika koja se široko koristi za detekciju, na primer u biomedicinskim slikama. Obično su dva takva fotohemijska događaja nekompatibilna u istom molekulu; ili motor na svetlo radi i nema fluorescencije ili postoji fluorescencija i motor ne radi. Feringa kaže: „Sada smo pokazali da obe funkcije mogu postojati paralelno u istom molekularnom sistemu, koji je prilično jedinstven.“
Riojun Toioda, postdoktorski istraživač u Feringa grupi, koji sada ima poziciju profesora na Univerzitetu Tohoku u Japanu, dodao je fluorescentnu boju klasičnom Feringa rotacionom motoru. „Trik je bio da se spreči da ove dve funkcionalnosti blokiraju jedna drugu“, kaže Toioda. Uspeo je da ugasi direktne interakcije između boje i motora. Ovo je urađeno postavljanjem boje okomito na gornji deo motora na koji je pričvršćena. „Ovo ograničava interakciju“, objašnjava Tojoda.
Različite boje
Na ovaj način, fluorescencija i rotirajuća funkcija motora mogu koegzistirati. Štaviše, pokazalo se da mu promena rastvarača omogućava da podesi sistem: „Promenom polariteta rastvarača, ravnoteža između obe funkcije može da se promeni.“ To znači da je motor postao osetljiv na okolinu, što bi moglo ukazati na put za buduće primene.
Koautor Širin Faradži, profesor teorijske hemije na univerzitetu u Groningenu, pomogao je da objasni kako se to dešava. Kiana Moghaddam, postdoktor u svojoj grupi, izvršila je opsežna kvantno-mehanička proračuna i pokazala kako ključna energija koja upravlja dinamikom foto-pobuđenosti snažno zavisi od polariteta rastvarača.
Još jedno korisno svojstvo ovog fluorescentnog motornog molekula je da se na njega mogu pričvrstiti različite boje sve dok imaju sličnu strukturu. „Dakle, relativno je lako napraviti motore koji svetle u različitim bojama“, kaže Tojoda.
Antena
Drugi fluorescentni motor je konstruisao Lukas Fajfer, takođe dok je radio kao postdoktorski istraživač u grupi Feringa. Od tada se pridružio Ecole Politechnikue Federale u Lozani, Švajcarska: „Moje rešenje je bilo zasnovano na motornom molekulu koji sam već napravio, a pokreću ga dva niskoenergetska bliska infracrvena fotona.“ Motori koji se napajaju bliskim infracrvenim svetlom korisni su u biološkim sistemima, jer ova svetlost prodire dublje u tkivo od vidljive svetlosti i manje je štetna za tkivo od UV svetlosti.
„Molekulu motora sam dodao antenu koja prikuplja energiju dva infracrvena fotona i prenosi je na motor. Dok smo radili na ovome, otkrili smo da uz neke modifikacije antena takođe može da izazove fluorescenciju“, kaže Fajfer. Ispostavilo se da molekul može imati dva različita pobuđena stanja: u jednom stanju energija se prenosi na motorni deo i pokreće rotaciju, dok drugo stanje izaziva fluorescenciju molekula.
Snaga
„U slučaju ovog drugog motora, ceo molekul fluorescira“, objašnjava profesor Maksim Pšeničnikov, koji je izvršio spektroskopsku analizu oba tipa fluorescentnog motora i koji je koautor oba rada. „Ovaj motor je jedan hemijski entitet na kome talasna funkcija nije lokalizovana i, u zavisnosti od nivoa energije, može imati dva različita efekta. Promenom talasne dužine svetlosti, a time i energije koju molekul prima, dobijate ili rotaciju. ili fluorescencija.“ Faraji dodaje: „Naš sinergizovan pristup u principu i u praksi naglašava međusobnu igru između teorijskih i eksperimentalnih studija i ilustruje moć takvih kombinovanih napora.
Sada kada je tim kombinovao i kretanje i fluorescenciju u istom molekulu, sledeći korak bi bio da se pokaže pokretljivost i istovremeno detektuje lokacija molekula praćenjem fluorescencije. Feringa kaže: „Ovo je veoma moćno i mogli bismo da ga primenimo da pokažemo kako ovi motori mogu da prođu kroz ćelijsku membranu ili da se kreću unutar ćelije, pošto je fluorescencija široko korišćena tehnika koja pokazuje gde su molekuli u ćelijama. Takođe bismo je mogli koristiti za pratiti kretanje indukovano motorom sa svetlosnim pogonom, na primer na putanji na nanorazmeri ili možda pratiti transport izazvan motorom na nanoskali. Sve je ovo deo naknadnog istraživanja.“
