Молекулярная самосборка
| Часть серии статей о |
| Молекулярная самосборка |
|---|
 |
В химии и материаловедении молекулы молекулярная самосборка — это процесс, при котором принимают определенное расположение без руководства или управления со стороны внешнего источника. Различают два типа самосборки : межмолекулярная и внутримолекулярная . Обычно термин «молекулярная самосборка» относится к первому, а второй чаще называют сворачиванием .
Супрамолекулярные системы [ править ]
Молекулярная самосборка — ключевое понятие супрамолекулярной химии . [6] [7] [8] Это связано с тем, что сборка молекул в таких системах осуществляется посредством нековалентных взаимодействий (например, водородных связей , координации металлов, гидрофобных сил , сил Ван-дер-Ваальса , пи-взаимодействий и/или электростатических), а также электромагнитных взаимодействий. Общие примеры включают образование коллоидов , биомолекулярных конденсатов , мицелл , везикул , жидкокристаллических фаз и ленгмюровских монослоев молекулами поверхностно-активных веществ . [9] Дальнейшие примеры супрамолекулярных ансамблей демонстрируют, что с помощью молекулярной самосборки можно получить множество различных форм и размеров. [10]
Молекулярная самосборка позволяет создавать сложные молекулярные топологии . Одним из примеров являются кольца Борромео , блокирующиеся кольца, в которых удаление одного кольца разблокирует каждое из других колец. ДНК была использована для получения молекулярного аналога колец Борромео . [11] Совсем недавно аналогичная структура была создана с использованием небиологических строительных блоков. [12]
Биологические системы [ править ]
Молекулярная самосборка лежит в основе построения биологических макромолекулярных ансамблей и биомолекулярных конденсатов в живых организмах и поэтому имеет решающее значение для функционирования клеток . Он проявляется в самосборке липидов с образованием мембраны , образовании двойной спирали ДНК посредством водородных связей отдельных нитей и сборке белков с образованием четвертичных структур . Молекулярная самосборка неправильно свернутых белков в нерастворимые амилоидные волокна ответственна за инфекционные нейродегенеративные заболевания, связанные с прионами . Молекулярная самосборка наноразмерных структур играет роль в росте замечательных структур β-кератина – пластинок / щетинок / лопаточек, используемых для того, чтобы дать гекконам возможность карабкаться по стенам и прикрепляться к потолкам и выступам скал . [13] [14]
Белковые мультимеры
Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, самособираются с образованием комплекса, такая белковая структура называется «мультимером». [15] Гены, кодирующие полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, широко распространены. Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутантными аллелями конкретного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае это явление называется внутригенной комплементацией . [16] Йеле указывал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда способствуют ассоциации идентичных молекул в качестве ближайших соседей. [17]
Нанотехнологии [ править ]
Молекулярная самосборка является важным аспектом восходящих подходов к нанотехнологиям . Используя молекулярную самосборку, конечная (желаемая) структура программируется в форме и функциональных группах молекул. Самосборка называется технологией производства «снизу вверх» в отличие от техники «сверху вниз», такой как литография , где желаемая конечная структура вырезается из более крупного куска материала. В спекулятивном видении молекулярной нанотехнологии микрочипы будущего могут создаваться путем молекулярной самосборки. Преимущество создания наноструктур биологических материалов с использованием молекулярной самосборки заключается в том, что они будут распадаться обратно на отдельные молекулы, которые могут расщепляться организмом.
ДНК-нанотехнологии [ править ]
ДНК-нанотехнология — это область текущих исследований, в которой для достижения нанотехнологических целей используется восходящий подход самосборки. Нанотехнология ДНК использует уникальные молекулярного распознавания свойства ДНК и других нуклеиновых кислот 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 метода « ДНК-оригами ») и трехмерных структур в формы многогранников . [19] Эти структуры ДНК также использовались в качестве шаблонов при сборке других молекул, таких как наночастицы золота. [20] и стрептавидина . белки [21]
Двумерные монослои [ править ]
Спонтанную сборку одного слоя молекул на границах раздела обычно называют двумерной самосборкой. Одним из распространенных примеров таких ансамблей являются монослои Ленгмюра-Блоджетт и мультислои ПАВ. Неповерхностно-активные молекулы также могут собираться в упорядоченные структуры. Первые прямые доказательства того, что не поверхностно-активные молекулы могут собираться в структуры более высокого порядка на границах раздела твердых тел, появились с развитием сканирующей туннельной микроскопии и вскоре после этого. [22] В конце концов, две стратегии стали популярными для самостоятельной сборки 2D-архитектур, а именно самосборка после осаждения и отжига в сверхвысоком вакууме и самосборка на границе раздела твердое тело-жидкость. [23] Проектирование молекул и условий, приводящих к формированию высококристаллических архитектур, сегодня считается формой 2D- кристаллической инженерии в наноскопическом масштабе .
См. также [ править ]
- Теория сборки
- Фолдамер
- Лед-девять
- Макромолекулярная сборка
- Самосборка наночастиц
- Супрамолекулярная сборка
Ссылки [ править ]
- ^ Свитман, AM; Джарвис, СП; Санг, Хунцянь; Леккас, И.; Рахе, П.; Ван, Ю; Ван, Цзяньбо; Чампнесс, Северная Каролина; Канторович Л.; Мориарти, П. (2014). «Картирование силового поля сборки с водородными связями» . Природные коммуникации . 5 : 3931. Бибкод : 2014NatCo...5.3931S . дои : 10.1038/ncomms4931 . ПМК 4050271 . ПМИД 24875276 .
- ^ Хапала, Прокоп; Кичин, Георгий; Вагнер, Кристиан; Таутц, Ф. Стефан; Темиров, Руслан; Елинек, Павел (19 августа 2014 г.). «Механизм получения СТМ/АСМ изображений высокого разрешения с функционализированными наконечниками». Физический обзор B . 90 (8): 085421. arXiv : 1406.3562 . Бибкод : 2014PhRvB..90h5421H . doi : 10.1103/PhysRevB.90.085421 . S2CID 53610973 .
- ^ Хямяляйнен, Сампса К.; ван дер Хейден, Надин; ван дер Лит, Йост; ден Хартог, Стефан; Лильджерот, Питер; Сварт, Ингмар (31 октября 2014 г.). «Межмолекулярный контраст на изображениях атомно-силовой микроскопии без межмолекулярных связей». Письма о физических отзывах . 113 (18): 186102. arXiv : 1410.1933 . Бибкод : 2014PhRvL.113r6102H . doi : 10.1103/PhysRevLett.113.186102 . ПМИД 25396382 . S2CID 8309018 .
- ^ Клинг, Феликс (2016). Диффузия и структурообразование молекул на кальците(104) (доктор философии). Университет Иоганна Гутенберга в Майнце. doi : 10.25358/openscience-2179 .
- ^ Фам, Туан Ань; Сун, Фей; Нгуен, Мань-Туонг; Штёр, Майке (2014). «Самосборка производных пирена на Au (111): влияние заместителей на межмолекулярные взаимодействия» . хим. Коммун . 50 (91): 14089–14092. дои : 10.1039/C4CC02753A . ПМИД 24905327 .
- ^ Лен, Ж.-М. (1988). «Перспективы супрамолекулярной химии - от молекулярного распознавания к молекулярной обработке информации и самоорганизации». Энджью. хим. Межд. Эд. англ. 27 (11): 89–121. дои : 10.1002/anie.198800891 .
- ^ Лен, Ж.-М. (1990). «Супрамолекулярная химия: масштабы и перспективы: молекулы, супермолекулы и молекулярные устройства (Нобелевская лекция)». Энджью. хим. Межд. Эд. англ. 29 (11): 1304–1319. дои : 10.1002/anie.199013041 .
- ^ Лен, Ж.-М. Супрамолекулярная химия: понятия и перспективы . Вайли-ВЧ. ISBN 978-3-527-29311-7 .
- ^ Розен, Милтон Дж. (2004). Поверхностно-активные вещества и межфазные явления . Хобокен, Нью-Джерси: Wiley-Interscience. ISBN 978-0-471-47818-8 .
- ^ Арига, Кацухико; Хилл, Джонатан П; Ли, Майкл В.; Вину, Аджаян; Шарве, Ричард; Ачарья, Сомобрата (2008). «Проблемы и прорывы в последних исследованиях самосборки» . Наука и технология перспективных материалов . 9 (1): 014109. Бибкод : 2008STAdM...9a4109A . дои : 10.1088/1468-6996/9/1/014109 . ПМК 5099804 . ПМИД 27877935 .
- ^ Мао, К; Солнце, Вт; Симан, Северная Каролина (1997). «Сборка колец Борромео из ДНК». Природа . 386 (6621): 137–138. Бибкод : 1997Natur.386..137M . дои : 10.1038/386137b0 . ПМИД 9062186 . S2CID 4321733 .
- ^ Чичак, К.С.; Кантрилл, С.Дж.; Пиз, Арканзас; Чиу, SH; Кейв, Джорджия; Этвуд, Дж. Л.; Стоддарт, Дж. Ф. (2004). «Молекулярные кольца Борромео» (PDF) . Наука . 304 (5675): 1308–1312. Бибкод : 2004Sci...304.1308C . дои : 10.1126/science.1096914 . ПМИД 15166376 . S2CID 45191675 .
- ^ Мин, Ёнджин; и др. (2008). «Роль межчастичных и внешних сил в сборке наночастиц». Природные материалы . 7 (7): 527–38. Бибкод : 2008NatMa...7..527M . дои : 10.1038/nmat2206 . ПМИД 18574482 .
- ^ Сантос, Дэниел; Спенко, Мэтью; Парнесс, Аарон; Ким, Санбэ; Каткоски, Марк (2007). «Направленное сцепление при лазании: теоретические и практические соображения». Журнал адгезионной науки и техники . 21 (12–13): 1317–1341. дои : 10.1163/156856107782328399 . S2CID 53470787 .
Стопы и пальцы геккона представляют собой иерархическую систему сложных структур, состоящую из пластинок, щетинок и лопаточек. Отличительные характеристики системы адгезии геккона были описаны [как] (1) анизотропное прикрепление, (2) высокое соотношение силы отрыва к предварительной нагрузке. , (3) низкая сила отделения, (4) независимость от материала, (5) самоочищение, (6) защита от самоприлипания и (7) нелипкое состояние по умолчанию ... Клеевые структуры геккона изготовлены из ß-. кератин (модуль упругости [приблизительно] 2 ГПа), однако из-за иерархической природы клея геккона и чрезвычайно маленьких дистальных особенностей (размер шпателя составляет [около] 200 нм) Нога геккона способна плотно прилегать к поверхности и вызывать значительное притяжение, используя силы Ван-дер-Ваальса .
- ^ Крик Ф.Х., Оргел Л.Е. Теория межаллельной комплементации. Дж Мол Биол. Январь 1964 г.; 8:161-5. doi: 10.1016/s0022-2836(64)80156-x. PMID 14149958
- ^ Бернштейн Х., Эдгар Р.С., Денхардт Г.Х. Внутригенная комплементация термочувствительных мутантов бактериофага T4D. Генетика. 1965;51(6):987-1002.
- ^ Х. Джеле (1963), «Межмолекулярные силы и биологическая специфичность», Proc Natl Acad Sci USA , 50 (3): 516–524, doi : 10.1073/pnas.50.3.516 , PMC 221211 , PMID 16578546
- ^ Симан, Северная Каролина (2003). «ДНК в материальном мире» . Природа . 421 (6921): 427–431. Бибкод : 2003Natur.421..427S . дои : 10.1038/nature01406 . ПМИД 12540916 .
- ^ Чен, Дж. и Симан, Северная Каролина (1991). «Синтез из ДНК молекулы со связностью куба». Природа . 350 (6319): 631–633. Бибкод : 1991Natur.350..631C . дои : 10.1038/350631a0 . ПМИД 2017259 . S2CID 4347988 .
- ^ Миркин, Калифорния; Летсингер, РЛ; Мучич, RC; Сторхофф, Джей Джей (1996). «Метод рациональной сборки наночастиц в макроскопические материалы на основе ДНК». Природа . 382 (6592): 607–609. Бибкод : 1996Natur.382..607M . дои : 10.1038/382607a0 . ПМИД 8757129 . S2CID 4284601 .
- ^ Ян, Х; Парк, Ш.; Финкельштейн, Г; Рейф, Дж. Х.; Лабин, TH (2003). «Самосборка белковых массивов и высокопроводящих нанопроводов по шаблону ДНК». Наука . 301 (5641): 1882–1884. Бибкод : 2003Sci...301.1882Y . дои : 10.1126/science.1089389 . ПМИД 14512621 . S2CID 137635908 .
- ^ Фостер, Дж. С. и Фроммер, Дж. Э. (1988). «Изображение жидких кристаллов с помощью туннельного микроскопа». Природа . 333 (6173): 542–545. Бибкод : 1988Natur.333..542F . дои : 10.1038/333542a0 . S2CID 4368440 .
- ^ Рабе, Дж. П. и Бухгольц, С. (1991). «Соизмеримость и подвижность двумерных молекулярных структур на графите». Наука . 253 (5018): 424–427. Бибкод : 1991Sci...253..424R . дои : 10.1126/science.253.5018.424 . JSTOR 2878886 . ПМИД 17746397 . S2CID 42385720 .
