Een biologische motor die chirale brandstof verbruikt, zorgt voor rotatie in één richting rond een enkele covalente binding

Chemische motorcyclus van een autonome, continu werkende, chemisch aangedreven rotatiemotor met enkele binding. Credit: Natuur (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04450-5

Een team van onderzoekers van de Universiteit van Manchester heeft een moleculaire motor ontwikkeld die chirale brandstof verbruikt om de rotatie rond een enkele covalente binding aan te drijven. In hun artikel gepubliceerd in het tijdschrift Natuurbeschrijft de groep hun werk bij de ontwikkeling van een chemisch aangedreven, directioneel roterende motor en waarom ze denken dat hun inspanningen zullen resulteren in de ontwikkeling van soortgelijke systemen met andere materialen.

Voorafgaand onderzoek heeft aangetoond dat er in de natuur voorbeelden van biologische motoren bestaan ​​- ADT-synthase is maar één voorbeeld. Dergelijke voorbeelden dienden als inspiratie voor chemici die probeerden dergelijke motoren te repliceren en hoewel er enige vooruitgang is geboekt, was er tot nu toe geen enkele ontwikkeld die in een as van 360° rond een enkele binding kon draaien.

In deze nieuwe poging creëerden de onderzoekers een biologische motor met 26 atomen – een waarbij de motor volledig rond een enkele binding kon draaien en bleef draaien zolang hij brandstof kreeg. Hun motor bestond uit twee delen: een pyrrool-2-carbonylgroep die het roterende deel van de motor vormde, en een fenyl-2-carbonylgroep die als base diende. De twee delen waren met elkaar verbonden met een NC-binding, die ook als as voor de motor diende. Een carbodiimide brandstof werd gebruikt om de rotatie aan te drijven. Toen het aan de motor werd toegevoegd, vormde zich een intramoleculair anhydride, wat resulteerde in een hydrolysereactie met een directionele vooringenomenheid op basis van de chiraliteit van de brandstof – en ook een ander additief om het proces te versnellen. De onderzoekers merken op dat het aanbrengen van een dizuur op de rotor en het onttrekken van brandstof de rotatie indien gewenst verhinderde.

Testen toonden aan dat de motor elke drie uur met een snelheid van ongeveer één volledige rotatie draaide. Ze ontdekten dat het ook foutief ronddraaide, ongeveer elke vier spins, tegengesteld aan de gewenste richting. Ze suggereren dat hun werk slechts een eerste poging is om roterende motoren te maken. Ze verwachten dat toekomstige ontwerpen sneller zullen draaien en dat er een middel wordt gevonden om het aantal fouten te verminderen. Als we verder vooruit kijken, zouden dergelijke motoren ooit kunnen worden gebruikt in toepassingen zoals het delven van metaalionen uit de oceaanbodem.