Optische pincet onthullen voorwaartse en achterwaartse beweging is symmetrisch in moleculair pendelen

In moleculaire shuttles wordt een ringmolecuul op een lineaire moleculaire streng geteisterd en kan het tussen twee delen van de streng, stations worden genoemd, in reactie op externe stimuli. Chemische stimuli, lichte of mechanische krachten bepalen de tijd die de shuttle op elk station doorbrengt, terwijl het heen en weer springt door willekeurige thermische beweging. Het meten van individuele trajecten tijdens de werking van dergelijke synthetische apparaten is cruciaal voor een grondig begrip van hun werking en bij de optimalisatie van moleculaire machines.

Onderzoekers van Imdea Nanociencia, geleid door Emilio Pérez en Borja Ibarra, hebben optische pincet gebruikt om de individuele overgangspaden van moleculaire shuttles tussen twee stations onder mechanisch evenwicht te meten. Hun resultaten toonden aan dat de overgangspadtijden brede distributies vertonen met behoud van een tijdverkeringssymmetrie.

In samenwerking met prof. Raymond Astumian (Universiteit van Maine, de VS) bevestigden de onderzoekers experimenteel dat de overgangspaden symmetrie vertonen. Dat wil zeggen, de shuttle duurt hetzelfde door het energieprofiel terwijl hij naar beneden gaat.

De gegevensanalyse toonde aan dat de gemiddelde waarden van overgangen identiek zijn, wat vergelijkbare vormen vertoont voor de voorwaartse en omgekeerde reacties. De shuttle besteedt dezelfde tijd in elke stap tussen de twee stations, onafhankelijk van de richting van de verschuiving. Deze symmetrie van de overgangspadtijdverdelingen werd bevestigd in overeenstemming met het principe van microscopische omkeerbaarheid.

Microscopische omkeerbaarheid stelt dat op moleculair niveau elk proces en het omgekeerde omgekeerde optreden met dezelfde waarschijnlijkheid in evenwicht. Het is een zeer goed ingeburgerd principe in statistische mechanica, maar het is moeilijk om experimenteel te meten, omdat het betrekking heeft op het volgen van de trajecten van individuele moleculen.

Moleculair shuttling omvat doorgang door een energierijke overgangstoestand, waardoor een energiebarrière wordt gevormd tussen stabiele toestanden. De eigenschappen van de overgangspaden door deze staten bevatten alle fundamentele mechanistische informatie over het pendelproces.

Tot op heden zijn theoretisch overgangspaden bestudeerd, maar hun korte levensduur in de volgorde van milliseconden, evenals hun intrinsieke stochastische aard hebben hun directe observatie experimenteel verhinderd. De hier gerapporteerde resultaten bieden een eerste experimentele kijk op het principe van microscopische omkeerbaarheid in moleculaire shuttles.

De studie maakt de weg vrij voor een gedetailleerd en kwantitatief begrip van de dynamiek van synthetische moleculaire machines. Dit is mogelijk vanwege de extreme resolutie en gevoeligheid van de experimentele opstelling.

Optische pincet heeft het vermogen om precies moleculaire apparaten te meten en te regelen in het bereik van krachten van Piconewton. In 2018 volgden onderzoekers Pérez en Ibarra gedurende vijf minuten de positie van een moleculaire shuttle. Vervolgens concentreerden ze zich op hoeveel tijd de shuttle op elk station doorbracht.

Nu richten ze zich op de reis, waardoor een grondige analyse van de overgangspaden, het volledige traject – de positie versus tijd – van het molecuul wordt gegeven, het energieprofiel langs de draad extraheren.

Het veld van moleculaire shuttles is van belang voor nanotechnologie in zijn zoektocht naar elektronische componenten op nanoschaal en ook voor biologie, waar veel biologische functies zijn gebaseerd op moleculaire shuttles. Deze studie is uitgevoerd in water, een voordeel dat de mogelijkheid om dit apparaat te gebruiken voor biotechnologische toepassingen doorboort.

De voorbeelden van moleculaire machines zijn veel: programmeerbare moleculaire schakelaars en sensoren, nanoveren voor geneesmiddelenafgifte systemen, adaptieve biomaterialen, moleculaire spieren, enz. bij de ontwikkeling van moleculaire machines.

Het onderzoek, onlangs gepubliceerd in het dagboek Chem Brengt de weg vrij om de tijdelijke volgorde van gebeurtenissen tijdens het pendelen te verkennen en onderzoekt de mogelijkheid om meerdere paden door het energielandschap te nemen. De informatie die door deze studie wordt ontdekt, zal het rationele ontwerp van efficiënte moleculaire schakelaars en motoren begeleiden met een op maat gemaakte respons voor toepassingen in nanotechnologie en biomedicine.