A jednak się kręcą! Cząsteczkowe silniki wirują w świetle słońca

Naukowcy, w tym dr Wojciech Danowski z UW, opracowali nową rodzinę maszyn molekularnych, które potrafią wyjątkowo sprawnie przetwarzać energię zwykłego światła słonecznego na jednokierunkowy ruch obrotowy. Syntetyczne silniczki, składające się zaledwie z kilkunastu atomów, pod względem wydajności pobiły już rozwiązania stworzone przez naturę.

W każdej komórce ciała człowieka działają niewyobrażalne liczby maleńkich cząsteczkowych maszynek.

– To są białka, które wykonują określony, kierunkowy ruch i zamieniają go na pracę mechaniczną lub chemiczną. Dzięki nim w ogóle żyjemy – wyjaśnił w rozmowie z PAP dr Wojciech Danowski z Uniwersytetu Warszawskiego.

Naukowiec wymienił, że do rodziny komórkowych silniczków zaliczają się np. kinezyny, które poruszając się po specjalnych trasach, wynoszą komórkowe śmieci, a z kolei białka w mięśniach wykonują serię małych kroczków, których suma daje się zobaczyć jako np. ruch ręki lub nogi. Większość z tych silniczków wprawianych jest w ruch dzięki innemu mechanizmowi – syntazie ATP, która obracając się, ładuje chemiczne komórkowe bateryjki do zasilania innych maszyn.

Są jednak w przyrodzie silniczki, którym do działania wystarcza samo światło. Jednym z takich układów jest retinal — cząsteczka obecna w rodopsynie, białku znajdującym się w pręcikach siatkówki oka, dzięki któremu możliwe jest widzenie. Ewolucja znalazła więc sposób, by ujarzmić energię słoneczną i przekształcić ją w pracę maleńkich maszyn molekularnych.

– To niezwykle inspirujące, dlatego my, chemicy, robimy swoje własne, syntetyczne maszyny molekularne. Różnica polega na tym, że nasze są dużo, dużo mniejsze: to tylko kilkanaście atomów węgla, podczas gdy w przypadku biologicznej syntazy ATP mówimy o kilku tysiącach takich atomów. Maszyny te działają jednak w sposób analogiczny – jedna część cząsteczki wykonuje względem drugiej jednokierunkowy ruch wirowy – wytłumaczył dr Danowski.

Teraz zespołowi, w którym brał udział - pod kierunkiem noblisty Bena Feringi - udało się opracować molekularne silniczki napędzane przez zwykłe światło dzienne. To przełom, bo dotąd do napędzania podobnych konstrukcji konieczne było szkodliwe dla żywych komórek światło UV, światło laserowe lub światło z diod. Teraz do obrotu silniczka wystarczy darmowe światło dnia.

Opracowana nowa rodzina maszyn wykazuje wyjątkową efektywność wykorzystania światła, które je napędza – czyli wyjątkowo sprawnie zamienia dostarczoną energię fotochemiczną na energię mechaniczną związaną z obrotem.

Dr Danowski wyjaśnił, że wirowy ruch nanosilniczków zanurzonych w roztworze nie jest widoczny gołym okiem, bo każdy z nich jest maleńki i obraca się w inną stronę.

Przed naukowcami stoi teraz zadanie, by te maleńkie maszyny były w stanie pracować wspólnie i by efekty ich pracy były widoczne w skali makroskopowej. – Jest to w zasięgu naszych możliwości – ocenił dr Danowski.

Źrodło: dr W. Danowski Badacz stawia też sobie za zadanie zwiększenie sprawności silniczków – by nie marnował się żaden foton, który ma szansę je wzbudzić. Rekordowa sprawność reakcji chemicznych, jaką naukowcom udało się do tej pory wypracować w badanych układach, wynosi 80 procent. Dr Danowski uważa jednak, że i sprawność reakcji rzędu 100 proc. jest w zasięgu ręki. Dla porównania izomeryzacja retinalu w rodopsynie osiąga sprawność rzędu 67 proc. – W tym zakresie pobiliśmy już więc przyrodę, ale wydaje się nam, że możemy jeszcze więcej – skomentował dr Danowski.

Pytany czy możliwe jest wykorzystanie nanosilniczków w energetyce, np. do budowania lepszych ogniw fotowoltaicznych – dr Danowski zaprzeczył. Podkreślił, że to na razie jest poza zasięgiem możliwości nauki, ale pomysły na zastosowania dopiero się wykluwają.

– Bardzo bym chciał, aby dzięki molekularnym silniczkom powstała nowa generacja absorberów dwutlenku węgla, które nocą pochłaniałyby CO2 z powietrza, a w ciągu dnia - uwalniały go w kontrolowanych warunkach, tak aby można go było przekształcić w jakiś użyteczny produkt chemiczny. Regeneracja absorbera to zaś na razie główny wydatek całego procesu pochłaniania CO2. Warto zaprząc do tego darmowe słońce – powiedział chemik.

– Fascynuje mnie to, że potrafimy projektować cząsteczki o tak prostej strukturze, a jednocześnie zdolne do wykonywania niezwykle złożonych procesów mechanicznych. Natura, aby wykonać podobną pracę, potrzebuje ogromnych białek zbudowanych z tysięcy atomów. Nam, chemikom, wystarczyło ich zaledwie kilkadziesiąt. Stworzyliśmy w pełni funkcjonalne analogi biologicznych maszyn molekularnych — znacznie mniejsze niż rozwiązania wypracowane przez naturę i zaprojektowane w nieporównywalnie krótszym czasie. Pokazuje to, że w projektowaniu związków chemicznych ogranicza nas właściwie tylko wyobraźnia, a praktyczne zastosowania takich technologii są jedynie kwestią czasu – podsumował.

Nauka w Polsce, Ludwika Tomala

lt/ agt/

Fundacja PAP zezwala na bezpłatny przedruk artykułów z Serwisu Nauka w Polsce pod warunkiem mailowego poinformowania nas raz w miesiącu o fakcie korzystania z serwisu oraz podania źródła artykułu. W portalach i serwisach internetowych prosimy o zamieszczenie podlinkowanego adresu: Źródło: naukawpolsce.pl, a w czasopismach adnotacji: Źródło: Serwis Nauka w Polsce - naukawpolsce.pl. Powyższe zezwolenie nie dotyczy: informacji z kategorii "Świat" oraz wszelkich fotografii i materiałów wideo.

Czytaj cały artykuł u źródła — Nauka w Polsce