Молекулярная самосборка - Molecular self-assembly

AFM изображение диимид нафталинтетракарбоновой кислоты молекулы на серебре, взаимодействующие через водородная связь при 77 К.[1] («Водородные связи» на верхнем изображении преувеличены артефактами техники визуализации.[2][3])
NC-AFM визуализация процесса самосборки молекул 2-аминотерефталевой кислоты на кальците (104).[4]
СТМ изображение самосборной Br4-пирен молекулы на поверхности Au (111) (вверху) и ее модель (внизу; розовые сферы - атомы Br).[5]

Молекулярная самосборка это процесс, посредством которого молекулы принять определенный договор без руководства или управления из внешнего источника. Есть два типа самосборка. Это внутримолекулярный самосборка и межмолекулярный самостоятельная сборка. Обычно термин молекулярная самосборка относится к межмолекулярной самосборке, в то время как внутримолекулярный аналог чаще называют складывание.

Супрамолекулярные системы

Молекулярная самосборка - ключевая концепция в супрамолекулярная химия.[6][7][8] Это связано с тем, что сборка молекул в таких системах направлена ​​через нековалентные взаимодействия (например., водородная связь, металлическое согласование, гидрофобные силы, силы Ван дер Ваальса, пи-стекинг взаимодействия, и / или электростатические), а также электромагнитные взаимодействия. Общие примеры включают образование коллоиды, биомолекулярные конденсаты, мицеллы, пузырьки, жидкокристаллический фазы и Монослои Ленгмюра к поверхностно-активное вещество молекулы.[9] Дополнительные примеры супрамолекулярные сборки демонстрируют, что с помощью самосборки молекул можно получить множество различных форм и размеров.[10]

Самосборка молекул позволяет создавать сложные молекулярные топологии. Одним из примеров является Кольца Борромео, блокирующие кольца, в которых снятие одного кольца разблокирует каждое из других колец. ДНК использовалась для подготовки молекулярный аналог колец Борромео.[11] Совсем недавно аналогичная структура была приготовлена ​​с использованием небиологических строительных блоков.[12]

Биологические системы

Молекулярная самосборка лежит в основе построения биологических макромолекулярные сборки и биомолекулярные конденсаты в живых организмах, и поэтому имеет решающее значение для функции клетки. Выставляется в самостоятельной сборке липиды сформировать мембрана, образование двойной спирали ДНК через водородные связи отдельных цепей и сборку белков с образованием четвертичные структуры. Молекулярная самосборка неправильно свернутых белков в нерастворимые амилоид волокна ответственны за инфекционные прион -связанные нейродегенеративные заболевания. Молекулярная самосборка наноразмерных структур играет роль в рост замечательных β-кератин ламели /щетинки /шпатели структуры, используемые для гекконы способность к лазить по стенам и придерживаться потолков и скальных выступов.[13][14]

Мультимеры белков

Когда несколько копий полипептида, кодируемого ген самосборка с образованием комплекса, эта белковая структура называется мультимером.[15] Гены, которые кодируют полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, встречаются часто. Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутант аллели конкретного гена смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае явление упоминается как внутригенная комплементация.[16] Jehle[17] указал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда способствуют объединению идентичных молекул в качестве ближайших соседей.

Нанотехнологии

Молекулярная самосборка - важный аспект вверх дном подходы к нанотехнологии. Используя молекулярную самосборку, конечная (желаемая) структура программируется в форме и функциональных группах молекул. Самостоятельная сборка называется производственной техникой «снизу вверх» в отличие от техники «сверху вниз», такой как литография где желаемая окончательная структура вырезана из большего куска материи. В умозрительном видении молекулярная нанотехнология, микрочипы будущего могут быть сделаны путем молекулярной самосборки. Преимущество построения наноструктур с использованием самосборки молекул для биологических материалов состоит в том, что они будут распадаться обратно на отдельные молекулы, которые могут быть разрушены организмом.

ДНК-нанотехнологии

Основная статья: ДНК-нанотехнологии

ДНК-нанотехнология - это область текущих исследований, в которой для достижения нанотехнологических целей используется восходящий подход самосборки. Нанотехнология ДНК использует уникальные молекулярное распознавание свойства ДНК и другие нуклеиновые кислоты для создания самособирающихся разветвленных комплексов ДНК с полезными свойствами.[18] Таким образом, ДНК используется как структурный материал, а не как носитель биологической информации, для создания таких структур, как сложные 2D- и 3D-решетки (как на основе плиток, так и с использованием "ДНК оригами "метод") и трехмерных структур в виде многогранники.[19] Эти структуры ДНК также использовались в качестве матриц при сборке других молекул, таких как наночастицы золота[20] и стрептавидин белки.[21]

Двумерные монослои

Основная статья: Монослой

Самопроизвольную сборку одного слоя молекул на границах раздела обычно называют двумерной самосборкой. Одним из распространенных примеров таких сборок являются Ленгмюр-Блоджетт монослои и многослойные поверхностно-активные вещества. Неповерхностно активные молекулы также могут собираться в упорядоченные структуры. Первые прямые доказательства, показывающие, что неповерхностно активные молекулы могут собираться в архитектуры более высокого порядка на твердых интерфейсах, пришли с развитием сканирующая туннельная микроскопия и вскоре после этого.[22] В конце концов, стали популярными две стратегии самосборки 2D-архитектур, а именно самосборка после осаждения в сверхвысоком вакууме и отжига, а также самосборка на границе раздела твердое тело-жидкость.[23] Конструкция молекул и условия, приводящие к образованию высококристаллических архитектур, сегодня считаются формой 2D кристалл инженерия на наноскопический масштаб.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Sweetman, A. M .; Jarvis, S.P .; Пел, Хунцянь; Леккас, I .; Rahe, P .; Ван, Ю; Ван, Цзяньбо; Champness, N.R .; Канторович, Л .; Мориарти, П. (2014). «Картирование силового поля сборки с водородной связью». Nature Communications. 5: 3931. Bibcode:2014 НатКо ... 5.3931S. Дои:10.1038 / ncomms4931. ЧВК  4050271. PMID  24875276.
  2. ^ Хапала, Прокоп; Кичин, Георгий; Вагнер, Кристиан; Тауц, Ф. Стефан; Темиров, Руслан; Елинек, Павел (19.08.2014). «Механизм получения изображений СТМ / АСМ высокого разрешения с функционализированными наконечниками». Физический обзор B. 90 (8): 085421. arXiv:1406.3562. Bibcode:2014ПхРвБ..90х5421Х. Дои:10.1103 / PhysRevB.90.085421.
  3. ^ Hämäläinen, Sampsa K .; ван дер Хейден, Надин; ван дер Лит, Йост; ден Хартог, Стефан; Лилиерот, Питер; Сварт, Ингмар (2014-10-31). «Межмолекулярный контраст в изображениях атомно-силовой микроскопии без межмолекулярных связей». Письма с физическими проверками. 113 (18): 186102. arXiv:1410.1933. Bibcode:2014ПхРвЛ.113р6102Н. Дои:10.1103 / PhysRevLett.113.186102. PMID  25396382.
  4. ^ Клинг, Феликс (2016). Диффузия и структурообразование молекул на кальците (104) (Кандидат наук). Johannes Gutenberg-Universität Mainz.
  5. ^ Фам, Туан Ань; Сун, Фэй; Нгуен, Мань-Тхыонг; Штёр, Мейке (2014). «Самосборка производных пирена на Au (111): влияние заместителей на межмолекулярные взаимодействия». Chem. Сообщество. 50 (91): 14089–14092. Дои:10.1039 / C4CC02753A. PMID  24905327.
  6. ^ Лен, Ж.-М. (1988). "Перспективы супрамолекулярной химии - от молекулярного распознавания до молекулярной обработки информации и самоорганизации". Энгью. Chem. Int. Эд. Англ. 27 (11): 89–121. Дои:10.1002 / anie.198800891.
  7. ^ Лен, Ж.-М. (1990). "Супрамолекулярная химия - Объем и перспективы: молекулы, супермолекулы и молекулярные устройства (Нобелевская лекция)". Энгью. Chem. Int. Эд. Англ. 29 (11): 1304–1319. Дои:10.1002 / anie.199013041.
  8. ^ Лен, Ж.-М. Супрамолекулярная химия: концепции и перспективы. Wiley-VCH. ISBN  978-3-527-29311-7.
  9. ^ Розен, Милтон Дж. (2004). Поверхностно-активные вещества и межфазные явления. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN  978-0-471-47818-8.
  10. ^ Арига, Кацухико; Хилл, Джонатан П.; Ли, Майкл V; Вину, Аджаян; Чарвет, Ричард; Ачарья, Сомобрата (2008). «Вызовы и открытия в недавних исследованиях самосборки». Наука и технология современных материалов. 9 (1): 014109. Bibcode:2008STAdM ... 9a4109A. Дои:10.1088/1468-6996/9/1/014109. ЧВК  5099804. PMID  27877935.
  11. ^ Мао, К; Солнце, Вт; Симан, Н. С. (1997). «Сборка колец Борромео из ДНК». Природа. 386 (6621): 137–138. Bibcode:1997Натура.386..137М. Дои:10.1038 / 386137b0. PMID  9062186.
  12. ^ Чичак, К. С .; Cantrill, S.J .; Pease, A.R .; Chiu, S. H .; Cave, G.W .; Atwood, J. L .; Стоддарт, Дж. Ф. (2004). "Молекулярные кольца Борромео" (PDF). Наука. 304 (5675): 1308–1312. Bibcode:2004 Наука ... 304.1308C. Дои:10.1126 / science.1096914. PMID  15166376.
  13. ^ Мин, Юнджин; и другие. (2008). «Роль межчастичных и внешних сил в сборке наночастиц». Материалы Природы. 7 (7): 527–38. Bibcode:2008НатМа ... 7..527М. Дои:10.1038 / nmat2206. PMID  18574482.
  14. ^ Сантос, Даниэль; Спенко, Матвей; Парнесс, Аарон; Ким, Сангбэ; Каткоски, Марк (2007). «Направленная адгезия для лазания: теоретические и практические соображения». Журнал адгезии и технологий. 21 (12–13): 1317–1341. Дои:10.1163/156856107782328399. Лапы и пальцы ног геккона представляют собой иерархическую систему сложных структур, состоящих из ламелей, щетинок и лопаток. Отличительные характеристики системы адгезии геккона были описаны [как] (1) анизотропное прикрепление, (2) высокое соотношение силы отрыва и предварительной нагрузки. , (3) низкая сила отрыва, (4) независимость от материала, (5) самоочищение, (6) защита от самоприлипания и (7) нелипкое состояние по умолчанию. ... Адгезивные структуры геккона сделаны из ß- кератин (модуль упругости [прибл.] 2 ГПа). Такой жесткий материал по своей природе не является липким; однако из-за иерархической природы гекконового клея и чрезвычайно малых дистальных особенностей (размер шпателя [прибл.] 200 нм) нога геккона способна плотно прилегать к поверхности и вызывать значительное притяжение, используя силы Ван дер Ваальса.
  15. ^ Крик Ф.Х., Оргель ЛЕ. Теория межаллельной комплементации. J Mol Biol. 1964 Янв; 8: 161-5. DOI: 10.1016 / s0022-2836 (64) 80156-х. PMID: 14149958
  16. ^ Бернштейн H, Эдгар RS, Денхардт GH. Внутригенная комплементация среди термочувствительных мутантов бактериофага T4D. Генетика. 1965; 51 (6): 987-1002.
  17. ^ Jehle H. Межмолекулярные силы и биологическая специфичность. Proc Natl Acad Sci U S. A. 1963; 50 (3): 516-524. DOI: 10.1073 / pnas.50.3.516
  18. ^ Симан, Н. С. (2003). «ДНК в материальном мире». Природа. 421 (6921): 427–431. Bibcode:2003Натура.421..427S. Дои:10.1038 / природа01406. PMID  12540916.
  19. ^ Чен Дж. И Симан Н. С. (1991). «Синтез из ДНК молекулы со связностью куба». Природа. 350 (6319): 631–633. Bibcode:1991 Натур. 350..631C. Дои:10.1038 / 350631a0. PMID  2017259.
  20. ^ Миркин, С. А .; Letsinger, R.L .; Mucic, R.C .; Сторхофф, Дж. Дж. (1996). «Метод на основе ДНК для рациональной сборки наночастиц в макроскопические материалы». Природа. 382 (6592): 607–609. Bibcode:1996Натура.382..607М. Дои:10.1038 / 382607a0. PMID  8757129.
  21. ^ Ян, Н; Park, S. H .; Финкельштейн, G; Reif, J. H .; Лабин, Т. Х. (2003). «ДНК-шаблон самосборки белковых массивов и высокопроводящих нанопроволок». Наука. 301 (5641): 1882–1884. Bibcode:2003Наука ... 301.1882Y. Дои:10.1126 / science.1089389. PMID  14512621.
  22. ^ Фостер, Дж. С. и Фроммер, Дж. Э. (1988). «Изображение жидких кристаллов с помощью туннельного микроскопа». Природа. 333 (6173): 542–545. Bibcode:1988Натура.333..542F. Дои:10.1038 / 333542a0.
  23. ^ Рабе, Дж. П., Бухгольц, С. (1991). «Соизмеримость и подвижность в двумерных молекулярных структурах на графите». Наука. 253 (5018): 424–427. Bibcode:1991Научный ... 253..424R. Дои:10.1126 / science.253.5018.424. JSTOR  2878886. PMID  17746397.