Как поймать молекулу? Подробнее о нанорецепторах

Наноманипулятор

Как известно, нанотехнология предполагает манипулирование материей на атомном уровне. В этой статье мы рассмотрим, как это будет происходить на практике для идентификации отдельных молекул.

В процессе работы таких сложных наномашин как нанороботы, нанокомпьютеры, НЭМС, lab-on-chip, возникнет потребность в сортировке отдельных молекул и их идентификации. Проблема наносенсоров представляет сейчас особый интерес для исследователей-нанотехнологов. Как построить такой нанорецептор, который смог бы отделять молекулы только одного типа? Как сделать перепрограммируемый рецептор, который отбирал бы только те молекулы, описание которых в данный момент передает центральный компьютер? Можно ли гарантировать чистоту отбора? На все эти вопросы можно ответить с помощью математического моделирования нанорецепторов и наноструктур.

Классический нанорецептор, названный Молекулярным Сортирующим Ротором (далее МСР), предложен Эриком Дрекслером [1]. Его структуру можно увидеть на рис. 1.

рис. 1 Молекулярный сортирующий ротор

Каждый ротор имеет "гнезда” по окружности, конфигурированные под определенные молекулы. Находясь в окружении молекул "гнезда” селективно связывают заданные молекулы, и удерживают их до тех пор, пока молекула не окажется внутри устройства. От "гнезда” ее отсоединяет стержень, расположенный внутри ротора. Такие роторы могут быть спроектированы из 105 атомов и иметь размеры порядка (7х14х14 нм) при массе 2х10–21 кг. Они смогут сортировать молекулы, состоящие из 20 и менее атомов со скоростью 106 молекул/сек при энергозатратах в 10–22 Дж на 1 молекулу. МСР позволяет создавать давление в 30 000 атмосфер потребляя 10–19 Дж. Роторы полностью обратимы и поэтому могут быть использованы как для нагнетания так и для выгрузки газов, воды и глюкозы. Каждый ротор имеет 12 "гнезд” для присоединения молекул, расположенных по длине окружности ротора. Несколько МСР, объединенных в каскад (рис. 2), позволят нагнетать в резервуары химически чистые вещества, в которых не будет ни одной чужеродной молекулы. См. рис. 2

рис. 2 Каскад МСР

Присоединительные "гнезда” роторов имеют специфическую структуру и будут производиться путем конструирования атом-за-атомом по примеру строения активных центров некоторых ферментов. Так фермент гексокиназа, разрывающий молекулу 6-ти углеродной глюкозы на две 3-х углеродные молекулы при гликолизе, имеет присоединительные "гнезда” для глюкозы.

Ральф Меркле предполагает, для большинства «присоединительных гнезд» для молекул, вытянутых в длину, и имеющих линейную структуру, можно использовать нанотрубки. Ральф приводит также результаты расчетов [2], которые показывают, какого диаметра должны быть нанотрубки для различных молекул. Выглядеть такой рецептор может, как показано на рис. 3.

рис. 3 Присоединительное гнездо на базе нанотрубки

По этой ссылке можно найти программу, рассчитывающую оптимальный радиус нанотрубки для того, чтобы присоединить молекулу заданного типа. Расчеты проведены Ральфом для молекул C4H2, C2H2, N2, O2, СO2, C2HF.

рис. 4. Нанорецептор для плоских молекул на примере молекулы антрацена

Правда, изготовить подобный рецептор пока нельзя, в отличие от предложенного рецептора на основе нанотрубок. Рецептор состоит из двух слоев графита, между которыми помещается искомая молекула. По ее краям расположены две графитовые полосы с атомами фтора по краям. Такая система должна эффективно присоединять молекулы антрацена. По данным математического моделирования, проведенного Ральфом, энергия соединения такого рецептора будет около 41 ккал/моль (расчеты проведены на HyperChem и ММ2+). Более полная модель рецептора для антрацена приведена на рис. 5.

рис. 5. Нанорецептор для антрацена

Все нанорецепторы, описанные выше, могут работать благодаря силам Ван-Дер-Ваальса и Кулона. Присоединив молекулы с различным электрическим зарядом к присоединительному гнезду, можно настроить гнездо на молекулу определенного типа.

Роберт Фрайтас предлагает ряд «механических» рецепторов для сортировки молекул [3]. Они имеют разное исполнение, но по смысл один и тот же – рецептор, по сигналу с компьютера, автоматически принимает форму искомой молекулы (рис. 6).

рис. 6. Перестраиваемые молекулярные рецепторы

Правда, построение таких рецепторов отодвигается на несколько лет в будущее. В своей книге «Nanomedicine» Роберт детально объясняет их принцип работы и основные физико-математические соотношения, определяющие их быстродействие, энергопотребление и энергию связи.

Источник(и):

1. Eric Drexler, «Nanosystems»

2. Ralph Merkle, Binding sites for use in a simple assembler

3. Robert A. Freitas Jr., Nanomedicine

рис. 4. Нанорецептор для плоских молекул на примере молекулы антрацена

Правда, изготовить подобный рецептор пока нельзя, в отличие от предложенного рецептора на основе нанотрубок. Рецептор состоит из двух слоев графита, между которыми помещается искомая молекула. По ее краям расположены две графитовые полосы с атомами фтора по краям. Такая система должна эффективно присоединять молекулы антрацена. По данным математического моделирования, проведенного Ральфом, энергия соединения такого рецептора будет около 41 ккал/моль (расчеты проведены на HyperChem и ММ2+). Более полная модель рецептора для антрацена приведена на рис. 5.

рис. 5. Нанорецептор для антрацена

Все нанорецепторы, описанные выше, могут работать благодаря силам Ван-Дер-Ваальса и Кулона. Присоединив молекулы с различным электрическим зарядом к присоединительному гнезду, можно настроить гнездо на молекулу определенного типа.

Роберт Фрайтас предлагает ряд «механических» рецепторов для сортировки молекул [3]. Они имеют разное исполнение, но по смысл один и тот же – рецептор, по сигналу с компьютера, автоматически принимает форму искомой молекулы (рис. 6).

рис. 6. Перестраиваемые молекулярные рецепторы

Правда, построение таких рецепторов отодвигается на несколько лет в будущее. В своей книге «Nanomedicine» Роберт детально объясняет их принцип работы и основные физико-математические соотношения, определяющие их быстродействие, энергопотребление и энергию связи.