Ερευνητές από το Nano Life Science Institute (WPI-NanoLSI) του Πανεπιστημίου Kanazawa, σε συνεργασία με το Institute for Molecular Science και το SOKENDAI, αποκάλυψαν τον μηχανισμό λειτουργίας ενός μοριακού διακόπτη – ενός μορίου που μπορεί να αλλάζει δομή όταν λαμβάνει ένα χημικό ερέθισμα.
Η μελέτη, που δημοσιεύθηκε στο Journal of the American Chemical Society, δείχνει για πρώτη φορά πώς τα μόρια μπορούν να μεταβαίνουν σταδιακά από τη μία δομική κατάσταση στην άλλη, προσφέροντας πολύτιμες γνώσεις για την ανάπτυξη μελλοντικών μοριακών μηχανών, έξυπνων υλικών και τεχνολογιών μοριακής πληροφορίας.
Ένα μοριακό κλουβί που αλλάζει «χειρομορφία»
Για να παρατηρήσουν τη διαδικασία, οι επιστήμονες σχεδίασαν ένα ειδικό μοριακό «κλουβί», το οποίο μεταβάλλει το σχήμα του εξαιρετικά αργά. Η αργή αυτή συμπεριφορά επέτρεψε την παρακολούθηση, σε πραγματικό χρόνο, όλων των ενδιάμεσων σταδίων που ακολουθούν όταν το μόριο δέχεται ένα χημικό σήμα.
Το μόριο αποτελείται από τρεις ελικοειδείς αλυσίδες που σχηματίζουν μια εσωτερική κοιλότητα και μπορεί να υπάρχει σε δύο κατοπτρικές μορφές – τη δεξιόστροφη (P) και την αριστερόστροφη (M). Υπό φυσιολογικές συνθήκες επικρατεί η δεξιόστροφη μορφή, ενώ η ειδική σχεδίαση του μοριακού κλωβού επιβραδύνει σημαντικά την είσοδο και έξοδο ιόντων, μετατρέποντας μια διαδικασία που συνήθως ολοκληρώνεται σε κλάσματα του δευτερολέπτου σε μια μετάβαση που διαρκεί αρκετές ώρες.
Η αργή μετάβαση αποκάλυψε τον πραγματικό μηχανισμό
Όταν οι ερευνητές πρόσθεσαν ιόντα καισίου στο διάλυμα, παρατήρησαν ότι το σύστημα μεταβαίνει σταδιακά από τη δεξιόστροφη στην αριστερόστροφη μορφή. Χάρη στην αργή εξέλιξη της διαδικασίας, κατέστη δυνατό να καταγραφούν όλα τα ενδιάμεσα στάδια με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR), φασματοσκοπία κυκλικού διχρωισμού (CD), κρυσταλλογραφία ακτίνων Χ και θεωρητικούς υπολογισμούς.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα ιόντα καισίου δεν προκαλούν την αλλαγή αφού προσδεθούν στη συνηθισμένη μορφή του μορίου. Αντίθετα, επιλέγουν εξαρχής τη λιγότερο συχνή αριστερόστροφη μορφή που ήδη υπάρχει στο διάλυμα, επιβεβαιώνοντας ότι ο μηχανισμός βασίζεται στην «επιλογή διαμόρφωσης» και όχι στο κλασικό μοντέλο της «προσαρμογής μετά την πρόσδεση».
Βάσεις για έξυπνα μοριακά συστήματα
Η παγίδευση του ιόντος καισίου μέσα στο μοριακό κλουβί σταθεροποιεί την αριστερόστροφη μορφή, μεταβάλλοντας σταδιακά την ισορροπία ολόκληρου του συστήματος. Αντίθετα, τα ιόντα χλωρίου ευνοούν τη δεξιόστροφη μορφή, αποδεικνύοντας ότι διαφορετικά χημικά σήματα μπορούν να προκαλέσουν διαφορετικές αποκρίσεις.
Σύμφωνα με τον καθηγητή Shigehisa Akine, η μελέτη αποδεικνύει ότι η ταχύτητα απόκρισης ενός μοριακού συστήματος μπορεί να ρυθμιστεί μέσω του κατάλληλου σχεδιασμού. Η δυνατότητα αυτή θεωρείται ιδιαίτερα σημαντική για την ανάπτυξη έξυπνων μοριακών αρχιτεκτονικών, νέων λειτουργικών υλικών και μοριακών μηχανών που θα μπορούν να αποθηκεύουν, να επεξεργάζονται και να ανταποκρίνονται σε πληροφορίες σε νανοκλίμακα.
