Molekulární samosestavování - Molecular self-assembly
Molekulární samosestavování je proces, při kterém molekuly přijímají definované uspořádání bez vedení nebo správy z vnějšího zdroje. Existují dva typy vlastní montáže . Jedná se o intramolekulární samosestavování a mezimolekulární vlastní sestavení. Běžně se termín molekulární samosestavování vztahuje na intermolekulární vlastní montáž, zatímco intramolekulární analog se běžně nazývá skládání .
Supramolekulární systémy
Molekulární samosestavování je klíčovým konceptem v supramolekulární chemii . Důvodem je, že sestava molekul v takových systémech je řízena nekovalentními interakcemi (např. Vodíkovými vazbami , koordinací kovů, hydrofobními silami , van der Waalsovými silami , interakcemi stohování pi a/nebo elektrostatickými) a také elektromagnetickými interakcemi. Běžné příklady zahrnují tvorbu koloidů , biomolekulárních kondenzátů , micel , vezikul , fází tekutých krystalů a Langmuirových monovrstev pomocí molekul povrchově aktivních látek. Další příklady supramolekulárních sestav ukazují, že pomocí molekulární vlastní montáže lze získat řadu různých tvarů a velikostí.
Molekulární samosestavování umožňuje konstrukci náročných molekulárních topologií . Jedním příkladem jsou borromejské prstence , do sebe zapadající prstence, ve kterých odstranění jednoho prstence odemkne každý z ostatních prstenů. DNA byla použita k přípravě molekulárního analogu borromejských kruhů . Nedávno byla podobná struktura připravena s použitím nebiologických stavebních bloků.
Biologické systémy
Molekulární samosestavování je základem konstrukce biologických makromolekulárních sestav a biomolekulárních kondenzátů v živých organismech, a proto je klíčové pro funkci buněk . Je ukázán ve vlastním sestavování lipidů za vzniku membrány , tvorbě dvojité šroubovicové DNA prostřednictvím vodíkových vazeb jednotlivých řetězců a sestavování proteinů za vzniku kvartérních struktur . Molekulární vlastní montáž nesprávně skládaných proteinů do nerozpustných amyloidních vláken je zodpovědný za infekční priony by tudíž neurodegenerativních onemocnění. Molekulární vlastní montáž nanoscale konstrukcí hraje roli v růstu pozoruhodného p-keratin lamely / setae / spatulae struktury používané k získání geckos schopnost šplhat po zdi a držet se stropy a skalní převisy .
Proteinové multimery
Když se více kopií polypeptidu kódovaného genem samo sestaví za vzniku komplexu, je tato proteinová struktura označována jako multimer. Geny, které kódují multimer tvořící polypeptidy, se zdají být běžné. Když je multimer vytvořen z polypeptidů produkovaných dvěma různými mutantními alelami konkrétního genu, smíšený multimer může vykazovat větší funkční aktivitu než nesmíšené multimery vytvořené každým z těchto mutantů samostatně. V takovém případě je tento jev označován jako intragenní komplementace . Jehle poukázal na to, že když jsou síly fluktuace náboje ponořeny do kapaliny a smíchány s jinými molekulami, upřednostňují asociaci identických molekul jako nejbližší sousedy.
Nanotechnologie
Molekulární samosestavování je důležitým aspektem přístupů nanotechnologie zdola nahoru . Pomocí molekulárního sestavení je konečná (požadovaná) struktura naprogramována ve tvaru a funkčních skupinách molekul. Vlastní montáž se označuje jako výrobní technologie „zdola nahoru“, na rozdíl od techniky „shora dolů“, jako je litografie, kde je požadovaná konečná struktura vyřezána z většího bloku hmoty. Ve spekulativní vizi molekulární nanotechnologie mohou být mikročipy budoucnosti vytvářeny molekulárním samosestavováním. Výhodou konstrukce nanostruktury pomocí molekulární vlastní montáže biologických materiálů je, že se rozloží zpět na jednotlivé molekuly, které mohou být rozloženy tělem.
DNA nanotechnologie
Nanotechnologie DNA je oblast současného výzkumu, který pro nanotechnologické cíle využívá přístup „zdola nahoru“ a sestavování podle sebe. Nanotechnologie DNA využívá jedinečné molekulární rozpoznávací vlastnosti DNA a dalších nukleových kyselin k vytváření samo-sestavených rozvětvených komplexů DNA s užitečnými vlastnostmi. DNA se tedy používá spíše jako strukturální materiál než jako nosič biologických informací k vytváření struktur, jako jsou komplexní 2D a 3D mříže (jak na bázi dlaždic, tak pomocí metody „ DNA origami “) a trojrozměrných struktur v tvary mnohostěnů . Tyto struktury DNA byly také použity jako šablony při sestavování jiných molekul, jako jsou nanočástice zlata a streptavidinové proteiny.
Dvourozměrné monovrstvy
Spontánní sestavení jedné vrstvy molekul na rozhraní se obvykle označuje jako dvourozměrné vlastní sestavení. Jedním z běžných příkladů takovýchto sestav jsou monovrstvy Langmuir-Blodgett a vícevrstvé povrchově aktivní látky. Nepovrchově aktivní molekuly se mohou také shromáždit do uspořádaných struktur. Časné přímé důkazy, které ukazují, že se povrchové aktivní molekuly mohou sestavit do architektur vyššího řádu na pevných rozhraních, přišly s vývojem skenovací tunelové mikroskopie a krátce poté. Nakonec se staly populární dvě strategie pro vlastní montáž 2D architektur, a to vlastní montáž po ultravysokém nanášení a žíhání a vlastní montáž na rozhraní pevná látka-kapalina. Návrh molekul a podmínek vedoucích ke vzniku vysoce krystalických architektur je dnes považován za formu 2D krystalového inženýrství v nanoskopickém měřítku .
Viz také
- Teorie montáže
- Foldamer
- Ledová devítka
- Makromolekulární sestava
- Vlastní montáž nanočástic
- Supramolekulární sestava