Tự lắp ráp phân tử

Hình ảnh phân tử napthalenetetracarboxylic diimide qua kính hiển vi lực nguyên tử tương tác với bạc bằng liên kết hydro tại 77 K.[1] ("liên kết hydro" ở hình phía trên được được phóng đại để hình rõ hơn.[2][3])
Hình ảnh quá trình tự lắp ráp phân tử của acid 2-aminoterephthalic trên calcite chụp được qua kính hiển vi lực nguyên tử(104).[4]
Hình ảnh phân tử Br4-pyrene (phía dưới, nguyên tử Br màu hồng) ở bề mặt Au(111) (phía trên) chụp bằng kính hiển vi quét xuyên hầm.[5]

Tự lắp ráp phân tử là quá trình mà các phân tử tự sự sắp xếp theo trình tự xác định mà không có tác nhân tác động từ bên ngoài. Có hai loại tự lắp ráp: tự lắp ráp nội phân tử và tự lắp ráp liên phân tử. Thông thường, thuật ngữ tự lắp ráp phân tử đề cập đến quá trình tự lắp ráp liên phân tử, trong khi lắp ráp nội phân tử chính là quá trình gấp nếp của phân tử để tạo cấu trúc bậc cao.

Hệ siêu phân tử

Tự lắp ráp phân tử là một khái niệm then chốt trong hóa học siêu phân tử,[6][7][8] vì sự lắp ráp các phân tử trong hệ là kết quả của các tương tác không phải là liên kết cộng hóa trị (chẳng hạn: liên kết hydro, phối trí kim loại, lực kỵ nước, lực Van der Waals, tương tác π–π stacking và/hoặc lực tĩnh điện) và cũng là kết quả của tương tác điện từ. Một số ví dụ: chất keo, chất ngưng tụ phân tử sinh học, micelle, túi sinh học, tinh thể lỏng, màng đơn tạo bởi các phân tử surfactant.[9]

Tự lắp ráp phân tử cho phép xây dựng các cấu trúc liên kết phân tử khó. Vòng Borromean là các vòng lồng vào nhau, để tháo một vòng sẽ làm mở vòng khác. DNA được sử dụng để điều chế một chất tương tự phân tử của vòng Borromean.[10] Gần đây, một cấu trúc tương tự được điều chế từ các block phi sinh học.[11]

Hệ thống sinh học

Quá trình tự lắp ráp phân tử làm cơ sở cho việc xây dựng các cụm đại phân tử sinh học và các chất ngưng tụ phân tử sinh học trong cơ thể sống, vì vậy rất quan trọng đối với chức năng của tế bào, thể hiện trong quá trình tự lắp ráp lipid để hình thành màng, quá trình hình thành DNA xoắn kép thông qua liên kết hydro của các sợi riêng lẻ và quá trình lắp ráp của các protein để tạo thành cấu trúc bậc 4 . Protein gấp khúc không chính xác, sau khi tự lắp ráp phân tử sẽ trở thành các sợi amyloid không hòa tan. Đây là nguyên nhân gây ra các bệnh thoái hóa thần kinh liên quan đến prion truyền nhiễm. Sự tự lắp ráp phân tử của các cấu trúc kích thước nano đóng vai trò trong sự phát triển của các cấu trúc lamellae β-keratin/ setae/spatulae, giúp tắc kè có khả năng leo tường, bám vào trần nhà và vị trí đá nhô ra ngoài.[12][13]

Protein multimer

Sau khi dịch mã từ gen để tạo thành nhiều protein, nhiều bản sao polypeptide hình thành. Các bản sao này tự lắp ráp để tạo thành cấu trúc gọi là multimer.[14] Các gen mã hóa polypeptide tạo multimer rất phổ biến. Khi một multimer được hình thành từ các polypeptide do hai alen đột biến khác nhau của một gen cụ thể tạo ra, thì multimer hỗn hợp có thể biểu hiện hoạt động chức năng cao hơn so với các multimer không trộn lẫn được tạo thành từ mỗi thể đột biến. Trong trường hợp như vậy, hiện tượng này được gọi là tương tác bổ trợ.[15]

Công nghệ nano

Tự lắp ráp phân tử là một khía cạnh quan trọng của phương pháp tiếp cận từ dưới lên đối với công nghệ nano . Sử dụng quá trình tự lắp ráp phân tử, cấu trúc cuối cùng (mong muốn) được lập trình theo hình dạng và các nhóm chức năng của phân tử. Tự lắp ráp được gọi là kỹ thuật sản xuất 'từ dưới lên' trái ngược với kỹ thuật 'từ trên xuống' như in thạch bản trong đó cấu trúc cuối cùng mong muốn hình thành từ một khối vật chất lớn hơn. Theo tầm nhìn suy đoán của công nghệ nano phân tử , các vi mạch của tương lai có thể được tạo ra bằng cách tự lắp ráp phân tử. Một lợi thế để xây dựng cấu trúc nano bằng cách sử dụng quá trình tự lắp ráp phân tử cho các vật liệu sinh học là chúng sẽ phân hủy trở lại thành các phân tử riêng lẻ có thể bị cơ thể phá vỡ.

Công nghệ nano DNA

Bài chi tiết: Công nghệ nano DNA

Công nghệ nano DNA là một lĩnh vực nghiên cứu hiện tại sử dụng phương pháp tiếp cận tự lắp ráp từ dưới lên cho các mục tiêu công nghệ nano. Công nghệ nano DNA sử dụng các đặc tính nhận dạng phân tử duy nhất của DNA và các acid nucleic khác để tạo ra các phức hợp DNA nhánh tự lắp ráp chứa các đặc tính hữu ích.[16]  Do đó, DNA được sử dụng làm vật liệu cấu trúc hơn là vật mang thông tin sinh học, để tạo ra các cấu trúc như mạng 2D và 3D phức tạp (xếp chồng, phương pháp " DNA origami ") và cấu trúc ba chiều giống của khối đa diện .[17]  Những cấu trúc DNA này cũng được sử dụng làm khuôn mẫu trong quá trình lắp ráp các phân tử khác như hạt nano vàng[18]  và protein streptavidin.[19]

Lớp đơn hai chiều

Sự lắp ráp tự phát của một lớp phân tử đơn lẻ tại các mặt phân cách thường được gọi là quá trình tự lắp ráp hai chiều. Một trong những ví dụ phổ biến của các tập hợp như vậy là các lớp đơn lớp Langmuir-Blodgett và lớp đa lớp của surfactant. Các phân tử hoạt động không bề mặt cũng có thể lắp ráp thành các cấu trúc có trật tự. Các bằng chứng trực tiếp ban đầu cho thấy rằng các phân tử hoạt động không bề mặt có thể tập hợp thành các cấu ​​trúc bậc cao hơn tại các bề mặt rắn ra đời cùng với sự phát triển của kính hiển vi quét đường hầm.[20] Ngày nay, việc thiết kế các phân tử và điều kiện dẫn đến sự hình thành các kiến ​​trúc tinh thể cao được coi là một dạng kỹ thuật tinh thể 2D ở mức độ nano .[21]

Tham khảo

  1. ^ Sweetman, A. M.; Jarvis, S. P.; Sang, Hongqian; Lekkas, I.; Rahe, P.; Wang, Yu; Wang, Jianbo; Champness, N.R.; Kantorovich, L.; Moriarty, P. (2014). “Mapping the force field of a hydrogen-bonded assembly”. Nature Communications. 5: 3931. Bibcode:2014NatCo...5.3931S. doi:10.1038/ncomms4931. PMC 4050271. PMID 24875276.
  2. ^ Hapala, Prokop; Kichin, Georgy; Wagner, Christian; Tautz, F. Stefan; Temirov, Ruslan; Jelínek, Pavel (19 tháng 8 năm 2014). “Mechanism of high-resolution STM/AFM imaging with functionalized tips”. Physical Review B. 90 (8): 085421. arXiv:1406.3562. Bibcode:2014PhRvB..90h5421H. doi:10.1103/PhysRevB.90.085421. S2CID 53610973.
  3. ^ Hämäläinen, Sampsa K.; van der Heijden, Nadine; van der Lit, Joost; den Hartog, Stephan; Liljeroth, Peter; Swart, Ingmar (31 tháng 10 năm 2014). “Intermolecular Contrast in Atomic Force Microscopy Images without Intermolecular Bonds”. Physical Review Letters. 113 (18): 186102. arXiv:1410.1933. Bibcode:2014PhRvL.113r6102H. doi:10.1103/PhysRevLett.113.186102. PMID 25396382. S2CID 8309018.
  4. ^ Kling, Felix (2016). Diffusion and structure formation of molecules on calcite(104) (PhD). Johannes Gutenberg-Universität Mainz.
  5. ^ Pham, Tuan Anh; Song, Fei; Nguyen, Manh-Thuong; Stöhr, Meike (2014). “Self-assembly of pyrene derivatives on Au(111): Substituent effects on intermolecular interactions”. Chem. Commun. 50 (91): 14089–14092. doi:10.1039/C4CC02753A. PMID 24905327.
  6. ^ Lehn, J.-M. (1988). “Perspectives in Supramolecular Chemistry-From Molecular Recognition towards Molecular Information Processing and Self-Organization”. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 27 (11): 89–121. doi:10.1002/anie.198800891.
  7. ^ Lehn, J.-M. (1990). “Supramolecular Chemistry-Scope and Perspectives: Molecules, Supermolecules, and Molecular Devices (Nobel Lecture)”. Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 29 (11): 1304–1319. doi:10.1002/anie.199013041.
  8. ^ Lehn, J.-M. Supramolecular Chemistry: Concepts and Perspectives. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-29311-7.
  9. ^ Rosen, Milton J. (2004). Surfactants and interfacial phenomena. Hoboken, NJ: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-47818-8.
  10. ^ Mao, C; Sun, W; Seeman, N. C. (1997). “Assembly of Borromean rings from DNA”. Nature. 386 (6621): 137–138. Bibcode:1997Natur.386..137M. doi:10.1038/386137b0. PMID 9062186. S2CID 4321733.
  11. ^ Chichak, K. S.; Cantrill, S. J.; Pease, A. R.; Chiu, S. H.; Cave, G. W.; Atwood, J. L.; Stoddart, J. F. (2004). “Molecular Borromean Rings” (PDF). Science. 304 (5675): 1308–1312. Bibcode:2004Sci...304.1308C. doi:10.1126/science.1096914. PMID 15166376. S2CID 45191675.
  12. ^ Min, Younjin; và đồng nghiệp (2008). “The role of interparticle and external forces in nanoparticle assembly”. Nature Materials. 7 (7): 527–38. Bibcode:2008NatMa...7..527M. doi:10.1038/nmat2206. PMID 18574482.
  13. ^ Santos, Daniel; Spenko, Matthew; Parness, Aaron; Kim, Sangbae; Cutkosky, Mark (2007). “Directional adhesion for climbing: theoretical and practical considerations”. Journal of Adhesion Science and Technology. 21 (12–13): 1317–1341. doi:10.1163/156856107782328399. S2CID 53470787. Gecko "feet and toes are a hierarchical system of complex structures consisting of lamellae, setae, and spatulae. The distinguishing characteristics of the gecko adhesion system have been described [as] (1) anisotropic attachment, (2) high pulloff force to preload ratio, (3) low detachment force, (4) material independence, (5) self-cleaning, (6) anti-self sticking and (7) non-sticky default state. ... The gecko’s adhesive structures are made from ß-keratin (modulus of elasticity [approx.] 2 GPa). Such a stiff material is not inherently sticky; however, because of the gecko adhesive’s hierarchical nature and extremely small distal features (spatulae are [approx.] 200 nm in size), the gecko’s foot is able to intimately conform to the surface and generate significant attraction using van der Waals forces.
  14. ^ Crick FH, Orgel LE. The theory of inter-allelic complementation. J Mol Biol. 1964 Jan;8:161-5. doi: 10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID 14149958
  15. ^ Bernstein H, Edgar RS, Denhardt GH. Intragenic complementation among temperature sensitive mutants of bacteriophage T4D. Genetics. 1965;51(6):987-1002.
  16. ^ Seeman, N. C. (2003). “DNA in a material world”. Nature. 421 (6921): 427–431. Bibcode:2003Natur.421..427S. doi:10.1038/nature01406. PMID 12540916.
  17. ^ Chen, J. & Seeman, N. C. (1991). “Synthesis from DNA of a molecule with the connectivity of a cube”. Nature. 350 (6319): 631–633. Bibcode:1991Natur.350..631C. doi:10.1038/350631a0. PMID 2017259. S2CID 4347988.
  18. ^ Mirkin, C. A.; Letsinger, R. L.; Mucic, R. C.; Storhoff, J. J. (1996). “A DNA-based method for rationally assembling nanoparticles into macroscopic materials”. Nature. 382 (6592): 607–609. Bibcode:1996Natur.382..607M. doi:10.1038/382607a0. PMID 8757129. S2CID 4284601.
  19. ^ Yan, H; Park, S. H.; Finkelstein, G; Reif, J. H.; Labean, T. H. (2003). “DNA-Templated Self-Assembly of Protein Arrays and Highly Conductive Nanowires”. Science. 301 (5641): 1882–1884. Bibcode:2003Sci...301.1882Y. doi:10.1126/science.1089389. PMID 14512621. S2CID 137635908.
  20. ^ Foster, J. S. & Frommer, J. E. (1988). “Imaging of liquid crystals using a tunnelling microscope”. Nature. 333 (6173): 542–545. Bibcode:1988Natur.333..542F. doi:10.1038/333542a0. S2CID 4368440.
  21. ^ Rabe, J.P. & Buchholz, S. (1991). “Commensurability and Mobility in Two-Dimensional Molecular Patterns on Graphite”. Science. 253 (5018): 424–427. Bibcode:1991Sci...253..424R. doi:10.1126/science.253.5018.424. JSTOR 2878886. PMID 17746397. S2CID 42385720.