Je leest:

Stuurloos en met alle remmen los

Stuurloos en met alle remmen los

De structuur en dynamica van synthetische moleculaire machines

Auteurs: , en | 4 oktober 2010

Het is tegenwoordig mogelijk om mechanische apparaatjes te maken ter grootte van één molecuul. Welke interacties houden de componenten van deze nanomachines bij elkaar, en hoe verschilt de beweging van een nanomachine van die van de machines uit onze macrosopische wereld? Geavanceerde spectroscopische technieken maken het mogelijk deze vragen te beantwoorden.

In de natuur drijven moleculaire machines (motortjes ter grootte van één of enkele moleculen) veel belangrijke processen aan en doen dat heel efficiënt. Sinds enkele jaren kunnen chemici kunstmatige moleculaire machines synthetiseren [1,2], waarvan het ontwerp geïnspireerd kan zijn door de moleculaire machines uit de natuur, maar soms ook door macroscopische machines in ons dagelijks leven.

Het is gebleken dat rotaxanen hier uitermate geschikt voor zijn. Rotaxanen zijn moleculen die bestaan uit twee onderdelen, een centrale as (geel in figuur 1) en een ring (groen) die in principe over deze as, een lange draad van koolstofatomen, kan bewegen. Grote stoppers aan de uiteinden zorgen ervoor dat de ring niet van de as af kan schuiven.

Figuur 1 Chemische structuur en schematische weergave van een rotaxaan. In het groen de ring, in geel de lineaire as (draad) en in rood de waterstofbindingen tussen de twee componenten.

De ring kan op bepaalde voorkeursposities op de draad worden vastgehouden, bijvoorbeeld door elektrostatische interactie of door waterstofbruggen. Op de draad kunnen zich één of meerdere van zulke ankerpunten bevinden. In de hier bestudeerde rotaxanen wordt de ring verankerd door waterstofbruggen. Als er meerdere ankerpunten zijn op de draad, kunnen we de ring ‘op commando’ van het ene naar het andere ankerpunt laten bewegen. Dat kan door de waterstofbrug-interacties tussen draad en ring te beïnvloeden door middel van een externe prikkel, zoals bijvoorbeeld licht, elektrochemische potentiaal of een verandering in oplosmiddel-omgeving.

Het opwindende hiervan is dat we op deze manier een beweging op moleculaire schaal gecontroleerd kunnen aansturen vanuit onze macroscopische wereld. Op basis van dit principe zijn inmiddels rotaxanen gesynthetiseerd die functioneren als minuscule machientjes, zoals motortjes, liftjes, en draaideurtjes. De potentiële toepassingen van zulke moleculaire machines zijn vrijwel onbegrensd, en variëren van moleculaire computers tot oppervlakken met schakelbare eigenschappen.

In dit artikel ontrafelen we met infrarood absorptiespectroscopie het gedrag van waterstofgebonden rotaxanen. In het eerste deel laten we zien hoe we de intrinsieke structurele eigenschappen van deze rotaxanen volledig kunnen karakteriseren door ze uit hun omgeving te halen, en hoe we de interactie tussen de twee componenten gecontroleerd kunnen beïnvloeden. In het tweede deel bestuderen we moleculaire machines aan het werk. Het blijkt dat de beweging in moleculaire machines op een totaal andere manier plaatsvindt dan in de macroscopische machines uit ons dagelijks leven.

Moleculaire machines in de gasfase – naakte rotaxanen

De waterstofbruggen worden niet alleen beïnvloed door een externe stimulus maar ook door interacties van de draad en de ring met de omgevingsmoleculen (bijvoorbeeld het oplosmiddel). Om de potentie van deze moleculen optimaal te benutten, en om moleculen te ontwikkelen met een nog betere functionaliteit, is het van belang de intrinsieke structurele eigenschappen van rotaxanen en de interacties tussen de twee componenten volledig in kaart te brengen. Met hoge-resolutie spectroscopie aan geïsoleerde rotaxanen kan deze informatie verkregen worden.

Door te kijken naar ‘naakte’ rotaxanen (zonder oplosmiddel) kan onderscheid gemaakt worden tussen de intrinsieke eigenschappen van de rotaxanen en de eigenschappen die het gevolg zijn van de interacties met de omgeving. Het in de gasfase brengen van zulke grote en complexe moleculaire systemen is al een uitdaging op zich. Conventionele technieken zoals verwarmen zijn niet mogelijk omdat òf de benodigde temperaturen simpelweg niet bereikt kunnen worden, òf omdat de rotaxanen uit elkaar vallen bij de gebruikte temperaturen.

Daarom wordt laserdesorptie gebruikt, een techniek waarbij een gepulste nanoseconde laser de rotaxanen van een monsterhouder van grafiet schiet, waarna ze vervolgens door botsingen met een edelgas zoals argon tot temperaturen rond de 20 K gekoeld worden. We hebben nu onze favoriete uitgangssituatie gecreëerd waarin rotaxanen gekoeld en geïsoleerd zijn, en daardoor bestudeerd kunnen worden met verschillende hoge-resolutie spectroscopische technieken [3,4].

Infraroodspectroscopie

Om te achterhalen hoe de ring en de draad in elkaar grijpen en om interacties tussen ring en draad in kaart te brengen, hebben we de structuur van geïsoleerde rotaxanen met infraroodspectroscopie onderzocht [4,5]. Als infraroodbron wordt de vrije-elektronenlaser FELIX van FOM-Instituut Rijnhuizen gebruikt. Deze laser produceert een constant hoog vermogen over een breed infrarood golflengtegebied dat zowel de C=O-strek, de NH-buig, als het zogenaamde fingerprint gebied tussen 1500-500 cm-1 omvat.

Het eerste gebied, van 1900-1500 cm-1 (C=O, NH-gebied) is zeer gevoelig voor waterstofbrug-interacties, en kan dus direct laten zien hoe de ring en de draad verbonden zijn; het verre infrarood gebied (de fingerprint) is specifiek voor elk molecuul en kan gebruikt worden voor een gedetailleerde structuuranalyse. De waterstofbruggen tussen de as en de ring kunnen direct worden waargenomen uit de vergelijking van de frequenties van de C=O-strek- en de NH-buigvibraties in de infrarood spectra van de losse as, de ring, en het complete rotaxaan (zie figuur 2).

Figuur 2 Uit de vergelijking van de infrarood absorptiespectra van de vrije ring (a, boven), de losse as (b, midden) en het complete rotaxaan (c, onder) blijkt hoe de verschillende onderdelen van de moleculaire motor elkaar vastgrijpen.

Het infrarood absorptiespectrum van de ring (figuur 2a), die zowel NH- als CO-groepen bevat, wordt gedomineerd door de C=O-strek (1687 cm-1, blauw) en de NH-buig (1505 cm-1, oranje). Van de draad, die alleen C=O-groepen heeft, laat het infraroodspectrum één prominente piek zien (1660 cm-1, cyaan) zie figuur 2b.

Maar, het infraroodspectrum verandert aanzienlijk wanneer de as en de ring gekoppeld worden in het rotaxaan (figuur 2c). Logischerwijs bevat het spectrum nu twee C=O-pieken en een NH-piek, maar het is duidelijk dat het spectrum niet de som is van de individuele spectra. De C=O-groepen van de draad zijn nu waterstofgebonden aan de NH-groepen van de ring. Dit resulteert in een verschuiving van 40 cm-1 van de frequentie van de C=O-buig-, en 15 cm-1 van de NH-strekvibraties.

De waargenomen frequentieverandering als gevolg van het vormen van het rotaxaan levert ons een directe maat voor de sterkte en geometrie van de waterstofbinding. De infraroodspectra laten zien dat de ring met vier waterstofbindingen aan de as vast zit, zoals weergegeven in figuur 1. Met deze methode kunnen we dus direct de operationele toestand van de koppeling van de onderdelen van de moleculaire motor uitlezen.

Moleculaire motor van de rem

Nu de interacties binnen de rotaxaan in kaart zijn gebracht, willen we de wisselwerking tussen de as en de ring beïnvloeden. Om een moleculaire beweging in de gasfase te realiseren moeten we als eerste in staat zijn de interacties tussen draad en ring gecontroleerd te verbreken, om daarmee de ring los te koppelen van de draad. Een elegante manier om de interacties tussen de as en de ring stapsgewijs te regelen is door één voor één oplosmiddelmoleculen (hier: methanol) toe te voegen aan een geïsoleerd rotaxaan.

Ook hier gebruiken we infraroodspectroscopie om te bepalen in hoeverre de ring en de as aan elkaar gekoppeld zijn, en om te kijken welke structuur het rotaxaan – na toevoegen van methanol – bij eventuele ontkoppeling aanneemt. Het infraroodspectrum in figuur 3 laat duidelijk zien dat voor de rotaxaan zonder methanol de ring waterstof gebonden is aan de draad, maar dat de binding tussen de draad en de ring langzaam verandert wanneer methanolmoleculen worden toegevoegd.

Figuur 3 Boven: de interactie tussen de twee onderdelen – de as en de ring – van een rotaxaan kan getuned worden door één voor één moleculen methanol toe te voegen. Onder: Infraroodspectrum van de rotaxaan (rtx) met 0 tot 6 moleculen methanol eraan. Het infrarood spectrum laat zien dat wanneer er vijf moleculen methanol zijn toegevoegd de ring vrij komt van de as. Dit is het duidelijkst te zien aan het verdwijnen van de oranje NH-piek, die de wisselwerking tussen de draad en de ring weergeeft.

Na het toevoegen van één enkel molecuul methanol zien we twee nieuwe pieken verschijnen in het infraroodspectrum. Aangezien methanol zowel een waterstofbindingsdonor als -acceptor is, kan het zowel een waterstofbinding aangaan met de vrije C=O-groepen aan de buitenzijde van de ring als concurreren met de interne waterstofbindingen tussen de draad en de ring. In dat laatste geval bindt methanol zich aan één van de NH-groepen van de ring, en breekt dus één van de bindingen tussen draad en de ring.

De waterstofbinding met de vrije C=O-groepen aan de buitenzijde van de ring resulteert in de groene piek (C=Oring methanol), het andere scenario in de roze piek (NHring methanol). De aanwezigheid van de roze piek in het infraroodspectrum duidt aan dat na het toevoegen van één molecuul methanol de interactie tussen de as en de ring wordt beïnvloed.

Het in toenemende mate toevoegen van methanol moleculen aan de rotaxaan leidt tot systematische veranderingen in het infrarood spectrum; de pieken die het gevolg zijn van de waterstofbindingen tussen methanolmoleculen en het rotaxaan (groen en roze) worden steeds meer intens. Na het toevoegen van vijf methanolmoleculen treden er dramatische veranderingen op in het infrarood spectrum, en met name de oranje piek, die de waterstofbinding tussen ring en draad weergeeft: deze piek is compleet verdwenen.

Het infraroodspectrum geeft dus direct aan dat na toevoeging van vijf moleculen methanol de ring ontkoppeld is van de draad. Het hele proces lijkt in veel opzichten op het loslaten van een rem. Het gecontroleerd loslaten van deze moleculaire rem is een essentiële stap in toepassingen van rotaxanen waar de ring verplaatst wordt.

De logische volgende stap is om de ring over een langere draad te schuiven met meerdere ankerpunten. De ring kan dan op één van deze ankerposities van de as vast gegrepen worden. Door gebruik te maken van een externe prikkel kunnen we op dezelfde manier de beweging van de ring controleren en moleculaire beweging in de gasfase bewerkstelligen.

Bewegende moleculaire machines in oplossing

Uiterlijk lijken moleculaire machines vaak op de (in verhouding reusachtige) machines uit ons dagelijks leven. Maar gedragen ze zich ook hetzelfde?

Om die vraag te beantwoorden gebruiken we tijdsopgeloste vibratie-spectroscopie om te kijken naar de beweging van een moleculaire translatiemachine (shuttle)[6,7]. Deze shuttle (zie figuur 4) is een rotaxaan waarvan de ring (blauw in figuur 4) over een relatief lange draad (enkele nanometers) van koolstofatomen kan bewegen. Op de koolstofdraad bevinden zich twee verschillende ankerpunten (stations) waaraan de ring zich door waterstofbruggen kan binden.

Figuur 4 Structuur en schematische weergave van het functioneren van de rotaxaan-shuttle.

Gewoonlijk is het voor de ring energetisch gunstiger om te binden aan het succinamide station (succ, groen in figuur 4). Maar dit verandert wanneer het andere, naphthalimide station (ni, grijs in figuur 4) een 355 nm foton absorbeert. In aanwezigheid van een externe elektrondonor wordt het geëxciteerde ni station gereduceerd tot ni•− (rood in figuur 4). Het ni•− station kan waterstofbruggen vormen met de ring die veel sterker zijn dan die tussen de ring en het succ station. Hierdoor verplaatst de ring zich uiteindelijk van het succ naar het ni•− station. Eenmaal gebonden aan het ni•− station, blijft de ring vastzitten tot dit station na verloop van tijd spontaan weer neutraal wordt door zijn elektron terug te geven aan de externe elektrondonor. Dan bindt de ring weer aan het succ station en kan het hele proces opnieuw beginnen.

Tijdsopgeloste vibratiespectroscopie

Om het bewegingsmechanisme te bestuderen gebruiken we een korte (3 ns) uv-laserpuls waarmee we het ni exciteren op t = 0. Het bewegen van de ring wordt daarna gevolgd door het rotaxaan te ‘flitsen’ met een korte (<1 picoseconde) infrarode puls. We gebruiken daarbij de verschillende CO-bindingen in het molecuul als markers voor de beweging. De CO-bindingen in de twee stations hebben verschillende strek-frequenties, en zijn dus waar te nemen als afzonderlijke infrarood-absorptiepieken. De verandering in het infrarood-absorptiespectrum (ten opzichte van de toestand vóór de uv-puls) is te zien in figuur 5, op verschillende tijden na de uv-puls.

Figuur 5 De absorptieveranderingen van het rotaxaan als functie van frequentie bij verschillende tijden na uv-excitatie. Vertrek en aankomst van de ring zijn afzonderlijk waar te nemen door verschuiving van de succ en ni•− pieken.

De ni→ni•− omzetting leidt tot een negatieve absorptieverandering bij de ni CO-frequentie en een positieve absorptieverandering bij de CO-frequentie van de gevormde ni•− stations, waar op korte tijden nog geen ring aan is gebonden (‘ni•− vrij’). Wanneer een CO-binding een waterstofbrug vormt, leidt dit tot een verlaging van de CO-strek-frequentie. Hierdoor is de aankomst van de ring op het ni•− station waar te nemen als het verdwijnen van de ‘ni•− vrij’ piek en het verschijnen van de ‘ni•− gebonden’ piek bij een lagere frequentie. Evenzo is het vertrek van de ring van het succ station te zien als het verdwijnen van de ‘succ gebonden’ piek en het verschijnen van de ‘succ vrij’ piek bij een hogere frequentie.

De absorptieverandering als functie van de tijd kan beschreven worden door een exponentiële groei (voor de fractie aangekomen ringen) en afname (voor de fractie vertrokken ringen), zie figuur 6. Hierbij is de tijdsconstante de gemiddelde wachttijd voordat een ring aankomt op het ni•− station.

Figuur 6 Absorptieverandering bij de frequenties aangeduid in figuur 5, als functie van tijd. De fracties ringen op het succ en ni•− station nemen exponentieel af en groeien exponentieel met dezelfde tijdsconstante. (De snelle verandering bij 0 < t < 50 ns is het ni → ni•− proces).

Verrassend genoeg blijkt de tijdsafhankelijkheid van de aankomst- en vertrek-pieken precies complementair te zijn: dat wil zeggen dat zodra een ring is vertrokken bij het succ station, hij vrijwel onmiddellijk aankomt op het ni•− station, de ring is kennelijk maar heel kort ‘onderweg’. Dit valt als volgt te begrijpen. Het ni•− station oefent geen directe aantrekkende kracht uit op de ring wanneer die nog op het succ station is gebonden (de waterstofbrug-wisselwerking heeft een zeer korte reikwijdte). De ring moet dus eerst door thermische fluctuaties ontsnappen aan het succ station, vervolgens over de draad lopen (opnieuw gedreven door thermische fluctuaties) voordat hij op het ni•− station aankomt.

De tijd die de ring ongebonden op de draad doorbrengt is kort, omdat dit een energetisch ongunstige toestand is. De tijd die het duurt om van succ naar ni•− te komen wordt vooral bepaald door het wachten op een thermische fluctuatie die de ring losmaakt van het succ station. Dit mechanisme impliceert dat het onmogelijk is om te voorspellen wanneer de ring van een individuele rotaxaan precies zal gaan bewegen en aankomen bij het ni•− station.

Dronkenman

Het blijkt dat de gemiddelde aankomsttijd sterk toeneemt met de lengte van het rotaxaan (Figuur 7). Omdat de frequentie van spontane ontsnappingen aan het succ station onafhankelijk is van de draadlengte, impliceert de lengteafhankelijkheid dat de kans dat de ring (na te zijn ontsnapt aan het succ station) bij het ni•− station aankomt sterk afneemt met de lengte. De lengte-afhankelijkheid van deze kans Ps(n) (met n de lengte in C-atomen) kan goed worden beschreven als een biased random walk, zie de curve in figuur 7. Dit betekent dat de ring zich als een dronkenman tussen de begin- en eindpositie beweegt: stapjes naar voren en terug wisselen elkaar op onvoorspelbare momenten af (zie inzet figuur 7).

Figuur 7 Aankomstfrequentie (inverse van de gemiddelde reisduur) voor verschillende lengtes (uitgedrukt in aantal C-atomen n) van de rotaxaan-shuttle. De trend kan worden beschreven door een biased random walk met voorwaartse stapkans p = 0,44 (zie inzet voor een schematische weergave van het bewegingsmechanisme).

De beweging van een moleculaire machine blijkt dus totaal anders te zijn dan de soepele beweging van bijvoorbeeld een zuiger in een automotor. Uiteindelijk komt de ring op zijn eindpositie tot stilstand, maar het is op het moment van vertrek volkomen onzeker hoe lang dit voor een individuele rotaxaan zal gaan duren.

De volgende stap

Om de functionaliteit van rotaxanen uit te breiden en de toepassing van deze moleculaire machines verder te verkennen is de logische volgende stap om uit te zoeken op welke manier we de beweging beter gecontroleerd kunnen laten plaatsvinden. Daarnaast verleggen we in het gasfaseonderzoek de focus van de synthetische naar de zeer efficiënte maar complexe, natuurlijke biomoleculaire motoren. Door in te zoomen op het actieve deel van de biomoleculaire motor, willen we een beter beeld verkrijgen van de processen die aan de basis staan van de beweging van deze biologische moleculaire motoren.

Referenties

1 V. Balzani, M. Gómez-López en J. F. Stoddart, Molecular Machines, Acc. Chem. Res. 31, 405–414 (1998). 2 E.R. Kay, D.A. Leigh en F. Zerbetto, Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines, Angew. Chem. Int. Ed. 46, 72–191 (2007). 3 A.M. Rijs , N. Sandig, M.N. Blom, J. Oomens, J.S. Hannam, D.A. Leigh, F. Zerbetto en W.J. Buma, Controlled Hydrogen-Bond Breaking in a Rotaxane by Discrete Solvation, Angew. Chem. Int. Ed. 49, 3896-3900 (2010). 4 A.M. Rijs, I. Compagnon, J. Oomens, J.S. Hannam, D.A. Leigh en W.J. Buma, Stiff and Sticky at the right places; Binding Interactions in Isolated Mechanically Interlocked Molecules probed by mid-infrared Spectroscopy, J. Am. Chem. Soc. 131, 2428-2429 (2009). 5 A.M. Rijs, B. O. Crews, M.S. de Vries, J.S. Hannam, D.A. Leigh, M. Fanti, F. Zerbetto en W.J. Buma, Shaping of a Conformationally Flexible Molecular Structure for Spectroscopy, Angew. Chem. Int. Ed. 47, 3174-3179 (2008). 6 M.R. Panman, P. Bodis, D.J. Shaw, B.H. Bakker, A.C. Newton, E.R. Kay, A.M. Brouwer, W.J. Buma, D.A. Leigh en S. Woutersen, Operation Mechanism of a Molecular Machine Revealed Using Time-Resolved Vibrational Spectroscopy, Science 328, 1255-1258 (2010). 7 P. Bodis, M.R. Panman, B.H. Bakker, A. Mateo-Alonso, M. Prato, W.J. Buma, A.M. Brouwer, E.R. Kay, D.A. Leigh en S. Woutersen, Two-Dimensional Vibrational Spectroscopy of Rotaxane-Based Molecular Machines, Acc. Chem. Res. 42, 1462-1469 (2009).

Meer weten?

Meer over moleculaire motoren op Kennislink

Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/moleculaire-motor.atom", “max”=>"8", “detail”=>"minder"}

Dit artikel is een publicatie van Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde.
© Nederlands Tijdschrift voor Natuurkunde, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 04 oktober 2010
NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.