분자 기계

Molecular machine
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분자의
나노테크놀로지

분자 기계, 나노라이트 또는 나노 기계는[1] 특정 자극(입력)[2][3]에 반응하여 준기계적인 움직임(출력)을 생성하는 분자 성분입니다.세포생물학에서, 고분자 기계는 DNA 복제와 ATP 합성 같은 생명체에 필수적인 작업을 자주 수행합니다.이 표현은 종종 거시적 수준에서 발생하는 기능을 단순히 모방하는 분자에 더 일반적으로 적용된다.이 용어는 분자 조립기 [4][5]구축을 목표로 하는 다수의 매우 복잡한 분자 기계가 제안되는 나노 기술에서도 흔히 사용됩니다.

미세관 위를 걷는 키네신은 나노스케일 상에서 단백질 도메인 역학을 사용하는 분자 생물학적 기계이다.

지난 수십 년 동안, 화학자와 물리학자 모두 거시적인 세계에서 발견되는 기계의 소형화를 시도했지만 성공 정도가 다양했습니다.분자 기계는 세포 생물학 연구의 최전선에 있다.2016년 노벨 화학상은 장 피에르 소비지, 프레이저 스토다트 경, 베르나르 L.에게 수여되었다. Feringa는 분자 [6][7]기계의 설계와 합성을 위한 것입니다.

종류들

분자 기계는 크게 인공과 생물학적 두 가지로 나눌 수 있다.일반적으로, 인공 분자 기계(AMM)는 인공적으로 설계되고 합성된 분자를 말하는 반면, 생물학적 분자 기계는 일반적으로 자연에서 발견될 수 있고 [8]지구에서의 자연 발생 이후 그 형태로 진화했다.

인조

생물학적 분자 기계에 비해 다소 단순하고 작은 다양한 인공 분자 기계([8]AMM)가 화학자들에 의해 합성되었습니다.분자 셔틀인 최초의 AMM은 J. 프레이저 스토다트 [9]경에 의해 합성되었다.분자 셔틀은 링이 두 개의 부피가 큰 스토퍼로 차축에 기계적으로 연동되는 로탁산 분자입니다.고리는 빛, pH, 용제, [10]이온과 같은 다양한 자극으로 두 결합 부위 사이를 이동할 수 있습니다.1991년 JACS 논문의 저자들이 언급했듯이, "[2]로탁산에서 다른 분자 구성요소에 대한 한 분자 구성요소의 움직임을 제어하는 것이 가능해지면, 분자 기계를 구축하는 기술이 등장할 것이다." 기계적으로 연동된 분자 아키텍처가 방향 몰을 제공하는 AMM 설계와 합성을 주도할 것이다.사구체 [11]운동현재 다음과 같은 다양한 AMM이 존재합니다.

과밀 알칸 분자 모터.

분자 모터

분자 모터는 단일 또는 이중 [12][13][14][15]결합을 중심으로 방향 회전 운동을 할 수 있는 분자입니다.단일 결합 회전[16] 모터는 일반적으로 화학 반응에 의해 작동되는 반면 이중 결합 회전[17] 모터는 일반적으로 빛에 의해 작동됩니다.모터의 회전 속도는 세심한 분자 [18]설계에 의해서도 조정할 수 있습니다.카본 나노튜브 나노모터도 [19]생산됐다.

분자 프로펠러

분자 프로펠러는 거시적인 [20][21]프로펠러와 유사하게 설계된 특별한 모양 때문에 회전할 때 유체를 추진시킬 수 있는 분자이다.나노 크기의 샤프트 둘레에 특정 피치 각도로 여러 개의 분자 크기의 블레이드가 부착되어 있습니다.분자 자이로스코프도 봐

데이지 체인 [2]로탁산이 분자들은 인공근육을 위한 구성 요소로 여겨진다.

분자 스위치

분자 스위치는 두 개 이상의 안정된 [22]상태 사이에서 가역적으로 이동할 수 있는 분자입니다.분자는 pH, 빛(광 스위치), 온도, 전류, 미세 환경 또는 배위자의 [22][23][24]존재의 변화에 따라 상태 간에 이동할 수 있다.

로탁산 기반 분자 셔틀.

분자 셔틀

분자 셔틀은 분자 또는 이온을 한 위치에서 다른 위치로 [25]교반할 수 있는 분자입니다.일반적인 분자 셔틀은 매크로 사이클이 아령 [25][9][26]골격을 따라 두 지점 또는 스테이션 사이를 이동할 수 있는 로탁산으로 구성됩니다.

나노카

나노카는 거시적인 자동차와 비슷한 단일 분자 운반체이며 표면에서의 분자 확산을 제어하는 방법을 이해하는 데 중요하다.첫 나노카들은 제임스 M에 의해 합성되었다. 2005년 투어H자형 섀시와 네 [27]모서리에 4개의 분자 휠(fulerenes)이 부착되어 있었습니다.2011년 벤 페링가와 동료들은 회전하는 [28]바퀴로 섀시에 분자 모터를 부착한 최초의 모터 나노카를 합성했다.저자들은 주사 터널링 현미경 팁에서 에너지를 공급함으로써 구리 표면에서 나노카 방향 운동을 보여줄 수 있었다.이후 2017년 세계 최초의 나노카 레이스가 툴루즈에서 열렸다.

분자 균형

분자[29][30] 균형은 수소 결합, 솔포비아/소수성 효과,[31] γ 상호작용,[32] 입체 [33]및 분산 상호작용과 같은 분자 내 및 분자 간 구동력의 역동성에 반응하여 둘 이상의 입체 또는 구성 상태 간에 상호 변환될 수 있는 분자이다.분자 균형은 작은 분자 또는 단백질과 같은 고분자일 수 있다.예를 들어, 협력적으로 접힌 단백질은 상호작용 에너지와 배향 [34]성향을 측정하기 위해 분자 균형으로 사용되어 왔다.

분자 핀셋

분자 핀셋은 두 [35]팔 사이에 물건을 고정할 수 있는 숙주 분자입니다.분자 핀셋의 열린 공동은 수소 결합, 금속 배위, 소수력, 판데르발스 힘, δ 상호작용 또는 정전 [36]효과를 포함한 비공유 결합을 사용하여 아이템을 결합합니다.DNA로 구성되고 DNA [37]기계로 여겨지는 분자 핀셋의 예가 보고되었다.

분자 센서

분자 센서는 검출 가능한 [38][39]변화를 만들기 위해 분석 물질과 상호작용하는 분자입니다.분자 센서는 분자 인식과 어떤 형태의 리포터를 결합하기 때문에 그 물체의 존재를 관찰할 수 있다.

분자 논리 게이트

분자논리게이트는 하나 이상의 논리입력에 대해 논리연산을 실행하여 단일 논리출력을 [40][41]생성하는 분자이다.분자 센서와 달리 분자 논리 게이트는 입력의 특정 조합이 존재할 때만 출력됩니다.

분자 조립기

분자조립기는 반응성 분자를 [42][43][44][45][46]정밀하게 배치함으로써 화학반응을 유도할 수 있는 분자기계이다.

분자 힌지

분자 힌지는 한 구성에서 다른 구성으로 가역적인 방식으로 [47]선택적으로 전환될 수 있는 분자입니다.이러한 구성은 구별 가능한 기하학적 구조를 가져야 한다. 예를 들어, 선형 분자의 아조벤젠 그룹은 자외선을 조사했을 때 시스-트랜스 이성질화를[48] 거치면서 구부러지거나 V자 형태로 [49][50][51][52]가역적으로 전환될 수 있다.분자 힌지는 일반적으로 이중 결합이나 방향족 [53]링과 같은 단단한 축을 중심으로 크랭크와 같은 운동으로 회전합니다.그러나 보다 클램프와 같은 메커니즘을 가진 거시순환 분자 경첩도 [54][55][56]합성되었다.

생물학적

단백질 번역 단계를 대상으로 신장 및 막을 수행하는 리보솜.리보솜은 녹색과 노란색이고, tRNA는 진한 파란색이며, 관련된 다른 단백질은 연한 파란색입니다.생성된 펩타이드는 소포체로 방출된다.

가장 복잡한 고분자 기계는 종종 다단백질 복합체의 형태로 세포 안에서 [57]발견됩니다.생물학적 기계의 중요한 예로는 근육 수축을 담당하는 미오신, 미세관을 따라 세포 내부의 화물을 핵에서 멀리 이동시키는 키네신, 그리고 세포 내부의 화물을 핵 쪽으로 이동시키고 운동섬모와 편모의 축삭 구동을 일으키는 다이네인과 같은 운동 단백질이 있습니다.[I]n 효과, [모바일 섬모]는 분자 복합체에 600개 이상의 단백질로 구성된 나노 기계이며, 이들 중 다수는 또한 나노 기계로서 독립적으로 기능합니다.유연한 링커를 통해 연결된 이동 단백질 도메인이 결합 파트너를 모집하고 단백질 도메인 [1]역학을 통해 장거리 알로스테리를 유도할 수 있습니다."다른 생물학적 기계들은 에너지 생산을 담당하는데,[58] 예를 들어 세포의 에너지 통화인 ATP를 합성하는데 사용되는 터빈과 같은 운동을 하기 위해 막을 가로질러 양성자 구배로부터 에너지를 이용하는 ATP 합성효소를 담당한다.DNA 복제를 위한 DNA 중합효소, mRNA 생성을 위한 RNA 중합효소, 인트론 제거를 위한 스플라이세오솜 및 단백질 합성을 위한 리보솜을 포함한 다른 기계들도 유전자 발현을 담당한다.이 기계들과 나노스케일 역학들은 아직 [59]인공적으로 만들어진 어떤 분자 기계들보다 훨씬 더 복잡하다.

몇몇 생물학적 분자 기계들은

이 생물학적 기계들은 나노의학에서 응용될 수 있다.예를 들어,[60] 그것들은 암세포를 [61][62]식별하고 파괴하는 데 사용될 수 있다.분자 나노 기술은 나노 기술의 투기적인 하위 분야로, 분자 또는 원자 규모로 물질을 재배열할 수 있는 엔지니어링 분자 조립자, 생물학적 기계의 가능성에 관한 것입니다.나노의학은 몸에 도입된 나노로봇을 이용하여 손상과 감염을 치료하거나 탐지할 것이다.분자 나노 기술은 매우 이론적이며, 나노 기술이 어떤 발명을 낳을지 예측하고 향후 연구를 위한 의제를 제안하려고 합니다.분자 조립기나 나노로봇과 같은 분자 나노 기술의 제안된 요소들은 현재의 [63][64]능력을 훨씬 뛰어넘습니다.

조사.

보다 복잡한 분자 기계의 건설은 이론적이고 실험적인 연구의 활발한 영역이다.분자 프로펠러와 같은 많은 분자가 설계되었지만, 이러한 [65]분자를 구성하는 방법의 부족으로 인해 이러한 분자에 대한 실험적인 연구가 금지되었습니다.이러한 맥락에서 이론적 모델링은 광동력 분자 [67]기계의 구성에 중요한 로탁산의 자가 조립/분해 과정을 이해하는 데 매우[66] 유용할 수 있습니다.이러한 분자 수준의 지식은 분자 조립자를 포함한 나노 테크놀로지 분야에서 더욱 복잡하고 다용도적이며 효과적인 분자 기계의 실현을 촉진할 수 있습니다.

현재는 불가능하지만, 분자 기계의 일부 잠재적 응용 분야는 분자 수준에서 수송, 나노 구조와 화학 시스템의 조작, 고밀도 고체 정보 처리 및 [68]분자 보철이다.자율 운전, 기계의 복잡성, 기계의 합성의 안정성 및 작업 [8]조건과 같은 분자 기계가 실제로 사용되기 전에 많은 근본적인 문제들을 극복해야 합니다.

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