Onderzoekers doorgronden mechanisme nanomotoren

Wetenschappers hebben de gedetailleerde structuur achterhaald van een groep moleculen die rotaxanen genoemd worden. Met behulp van infraroodspectroscopie werden deze moleculaire motors onderzocht.

De groep moleculen die als rotaxanen bekend staan, worden door organismen onder meer gebruikt om zich voort te bewegen. De complexen bestaan in essentie uit twee moleculen, waarvan één een draaiend wiel vormt, en de ander een as met twee verdikkingen, die vermijden dat het wiel van de as glijdt. Ter hoogte van het midden van de as bevinden zich één of meer ankerpunten die het wiel laten draaien. Aangezien meerdere ankerpunten voor rotatie van het wiel kunnen zorgen, onderzochten de wetenschappers hoe deze beweging tot stand komt. De moleculaire motoren zouden dan mogelijk in nanomachines kunnen worden ingezet.

In de bestudeerde rotaxanen zorgen waterstofbruggen voor de verbindingen tussen de as en het wiel. De onderzoekers gebruikten infraroodspectroscopie om de motor-moleculen te kunnen bekijken. Volgens die methode worden de trillingsfrequenties van atoombindingen in het te onderzoeken molecuul gemeten, die dan gebruikt kunnen worden om de driedimensionale structuur en de positie van de waterstofbindingen te berekenen. Op die manier wisten de onderzoekers zowel de structuur van de rotaxanen als de individuele componenten van die moleculaire motoren te doorgronden. Om invloeden van buitenaf te voorkomen, werden de rotaxanen in een gasbundel onderzocht. Dat bemoeilijkte de infraroodspectroscopie echter, waardoor een speciale laser van het FOM-Instituut moest worden ingezet om over voldoende intens infrarood licht met de juiste golflengte te beschikken.

Uit het onderzoek bleek onder meer dat de uiteinden van het as-molecuul de interactie tussen wiel en as niet beïnvloeden: slechts de ankers zijn daarvoor verantwoordelijk. In toekomstige proeven willen de onderzoekers de invloed van een rotaxaan op zijn omgeving bestuderen en de nanomotoren in een gasfase laten functioneren. In theorie zou het onderzoek bij kunnen dragen aan het ontwikkelen van moleculaire motoren voor gebruik in nanomachines. Bij het onderzoek waren twee Nederlanders betrokken: dr. Anouk Rijs, van het FOM-Instituut voor Plasmafysica Rijnhuizen, en prof. dr. Wybren Jan Buma, die aan de Universiteit van Amsterdam is verbonden.

Reacties (22)

De beschrijving van de werking van de rotaxane zoals in het artikel staat klopt niet helemaal, er is namelijk geen sprake van rotatie. Een rotaxane kan beter gezien worden als een soort van 'shuttle'. De ring die om de 'as' heen zit kan waterstofbruggen vormen met polaire groepen die op de as aanwezig zijn, waarbij hij altijd aan een bepaalde polaire groep zit gebonden. Door externe invloeden (zoals licht of pH, afhankelijk van het type rotaxane) kan de ring zo beïnvloed worden dat hij zich van één polaire groep naar een andere polaire groep verplaatst: een lineaire beweging dus. Voorbeeldplaatje:

http://www.cnsi.ucla.edu/arr/paper?paper_id=195859

De rotaxane uit het voorbeeld werkt trouwens een tikje anders; door de vorm van zowel ring als as bindt de ring tegelijk aan de beide polaire groepen (de rode bolletjes) die op de as liggen. Door de as van vorm te veranderen worden een aantal van deze bindingen verstoord, waardoor de ring minder goed aan de as bindt. Een echt lineaire beweging, zoals ik eerde beschreef, vindt hierbij niet plaats.

Overigens snap ik niet helemaal wat deze nieuwspost op Tweakers.net doet. Het is een zeer knap staaltje onderzoekswerk, maar het nieuws zelf is voor tweakers niet heel bijzonder. Rotaxanen worden zeer intensief onderzocht en zodoende zijn er jaarlijks veel interessante publicaties op dit onderwerp.

[Reactie gewijzigd door TommyCP op 5 februari 2009 11:31]

Als je dit "vertaald" naar toepassingen in de praktijk, waar moet ik dan aan denken?

Ik heb een hele boeiende docu gezien waar ze in een simulatie een nano machine hadden gemaakt die zichzelf weet te verplaatsen. Deze draagt een medicijn bij zich en kan dit op de juiste plaats los laten, of bijvoorbeeld in een tumor los laten. Zo kunnen ze heel gericht aan het werk gaan. Bij wijze van spreken drink je een glas water vol met nano deeltjes die vervolgens hun weg zoeken naar de tumoren of andere ziektes en gaan gericht te werk. Nu doden we ook goede cellen. erg boeiend iig

Moet even een beetje negatief zijn.... hoewel nanomachines altijd worden gebruikt in combinatie met de medische wereld, zijn er wel twee verschillende zijden van deze in eerste instantie blinkende munt. Dode/ongecontroleerde nano deeltjes kunnen namenlijk ook tumoren veroorzaken.

stel dat ik deze rotaxanen inbouw in een folie of een enkellaags structuur dan is te bedenken dat door juiste trillingsfrequenties, gedoseerd aan te sturen is of uit een mengsel een ( voor deze werking gevoelig ) deel erdoor heen gaat;
->selectieve filters
-> gecontroleerd bouwen van structuren in de chemie

@el frikandel (reageer op het verkeerde draadje, sorry)
hele kleine robotjes die bijv. in het menselijk lichaam zaken kunnen repareren/verwijderen (propje in haarvaten van de hersenen bijv) en zichzelf daarbij actief kunnen manouvreren etc.

[Reactie gewijzigd door YellowCube op 5 februari 2009 09:26]

Kijk eens aan, de natuur had het wiel al uitgevonden voor ons, de mens. Het is toch altijd ongelooflijk tot wat evolutie kan leiden, en dat we zovele van die dingen nog altijd niet volledig begrijpen.

Uitvinden duidt op een input van intelligentie. 'De natuur' is geen persoon die daar voor kan zorgen. Ik kan niet begrijpen dat weldenkende mensen kunnen (willen) geloven dat een dergelijk complex mechanisme (+alle voorgaande stappen+het neerzetten van de juiste omstandigheden+die van de functie die er nog aan vast hangen) door een geselecteerde toevallige tussenstappen zou kunnen groeien (selectie voegt geen informatie toe, en deze complexe moleculen hebben ook nog eens de nare eigenschap uit elkaar te vallen voor ze überhaupt geselecteerd kunnen worden).

Denk er even aan dat het niet alleen deze 2 molekulen zijn maar ook de complexe nanomachine die ze 'op bestelling' maakt, inclusief foutcorrectie en duplicatie van de informatie. Voor 1 gen zit je al zo aan een waarschijnlijkheid van 10^-100 (klein eiwit met 300 baseparen) dat het vanzelf ontstaat. Gegeven dat het heelal ongeveer 10^80 atomen bevat, en 13.7 mijard jaar oud zou zijn (4.32329886 × 10^17 seconden) dan moet dan toch maar erg snel, plaatselijk en selektief met elkaar reageren denk ik. Best wel knap van 'de natuur'.

Je zou bijna in een God gaan geloven heh ? Haha!

@]eep:
Het is dan ook niet zo dat de complexe mechanismen in de natuur van een dag op de ander zijn ontstaan. In jouw kansberekening ga je ervan uit dat door het onwaarschijnlijke samentreffen van een paar honderd atomen/moleculen plotsklaps een gen ontstaat. Dat is een vrij naïef idee. Alles begon op kleine schaal en werd stapje voor stapje complexer. Er is echt geen "intelligent designer" voor nodig.

Lees mijn reactie nog eens? M.n. 2e deel 1 alinea? Ik heb het over tussenstappen. En zolang een tussenstap geen functie vervuld kan er geen natuurlijke selectie op werken en valt het eiwit weer uit elkaar.
Je blijft dan overgeleverd aan kansberekening onder zware tegenwerking van de 2e wet v/d thermodynamica. Hoe groter het stukje eiwit is, hoe groter de kans dat het weer uit elkaar valt. Het is nog nooit, zelfs niet onder gecontroleerde 'gesimuleerde' omstandigheden aangetoond dat een eiwit uit aminozuren ontstaat.

van een dag op de ander zijn ontstaan.

Had ik het proces niet 4x10^17 sec de tijd gegeven? Oftewel de hele geschiedenis van het universum (tenminste waar hij nu op geschat wordt, volgend jaar is het ws. weer 2mjd jaar meer) en alle atomen in het universum? Ik geef je al volkomen positief (fictieve) variabelen. Want al die atomen kunnen natuurlijk nooit allemaal de volledige tijd met elkaar reageren.

Alles begon op kleine schaal en werd stapje voor stapje complexer. Er is echt geen "intelligent designer" voor nodig.

Dat is een vrij naïef idee.

Elke machine bevat informatie. Informatie ontstaat niet uit chaos.

Dat kan ik zo niet laten staan.

En zolang een tussenstap geen functie vervuld kan er geen natuurlijke selectie op werken en valt het eiwit weer uit elkaar

Heb je het nou over moleculen (eiwitten) of over individuen? "Natuurlijke selectie" is namelijk niet iets wat op een eiwit als molecuul werkt.
En nog iets: als een tussenstap geen functie vervult (positief of negatief) dan heeft het in het algemeen weinig impact op een organisme/mechanisme dat deze "tussenstap" in zich draagt.

Je blijft dan overgeleverd aan kansberekening onder zware tegenwerking van de 2e wet v/d thermodynamica. Hoe groter het stukje eiwit is, hoe groter de kans dat het weer uit elkaar valt.

Ah, de 2de wet van de thermodynamica! Die wordt meestal aangehaald door mensen die deze wet niet kennen/snappen. De wet zegt dat in een gesloten systeem de entropie niet kan afnemen. En kom nou niet met het argument dat door complexe systemen de entropie afneemt. Dat doet hij alleen plaatselijk; in het gehele systeem (het heelal) neemt de entropie wel toe.

Het is nog nooit, zelfs niet onder gecontroleerde 'gesimuleerde' omstandigheden aangetoond dat een eiwit uit aminozuren ontstaat.

Sorry, maar dat is grote BS. Aminozuren en dipeptides zijn aangetroffen in meteoriten en aangetoond in interstellaire wolken. Ook in het (vaak verkeerd geïnterpreteerde) Stanley-Urey experiment heeft men ze gevonden.

Verder blijf ik daarbij dat je kansberekening de naam niet verdient. Je grijpt maar wat getallen uit de lucht zonder eenheden en enige staving. Hier is nog een voorbeeld:
De kans op verwekking van een individuele mens is 10^-8 (100 mln spermacellen), er zijn 6 mrd mensen op aarde, daarvan ~250.000 op tweakers.net waarvan jij er een bent en jouw 1ste post in deze thread omvat ~1000 letters (dus 26^1000 mogelijkheden). Zelfs als je de leeftijd van 10.000 universums (4x10^21 sec) ter beschikking had om deze post te fabriceren is de kans daarop nog steeds zo ontiegelijk klein dat we daarvan uit moeten gaan dat het Flying Spaghetti Monster zijn noodly appendices heeft laten werken. Of niet soms?

[Reactie gewijzigd door Alkjoa op 7 februari 2009 11:45]

Uitvinden duidt op een input van intelligentie. 'De natuur' is geen persoon die daar voor kan zorgen.

Dat is wat jij zegt, maar voor veel andere mensen slaat dit stukje tekst van jou nergens op.

Je hangt nu namelijk zelf de definitie "uitvinding" aan alles waar de natuur uit is opgebouwd, alleen wie zegt dat de natuur een uitvinding is, en daardoor de input van iets intelligents is?

Mijn vraag aan jou zou dus de volgende zijn: kan je die stelling ook onderbouwen, en dan het liefst zonder gebruik te maken van citaten uit een bijbel, koran of ander religieus boek? (die zijn voor ons "ongelovigen" namelijk gebaseerd op niet bestaande fundamenten en daardoor totaal ongeschikt om zoiets mee uit te leggen)

Bedankt voor je reactie, goede inhoudelijke vraag!

Mijn reactie zou zijn: het gaat niet zozeer om de definitie van 'uitvinding' maar wel om het gegeven dat intelligentie wordt toegevoegd, als het ware 'ontstaat'. Dit lijkt in tegenstelling tot wat we in de natuur en de natuurwetten terugzien, namelijk dat alles tot chaos leidt (de welbekende, ja hier komt ie, wait for it.. tweede wet van de thermodynamica!).

Hier moet meer over te zeggen zijn, iemand?

[Reactie gewijzigd door BvDorp op 6 februari 2009 01:18]

Dat is wat jij zegt,

Nee, ik haal teasers woorden aan. Hij begint over de natuur die het wiel uitgevonden heeft. Ik probeer even aan te duiden dat ik dit een goedgelovige uitspraak vind.

Ik zeg verder niets over uitvinding, ik wijs alleen even op de bijna oneindig kleine mogelijkheid dat een onherleidbaar complex systeem, tegen de natuurwetten in, spontaan onstaat. Ik heb dat (vaag) onderbouwd met de kansberekening van het spontaan ontstaan van een heel simpel eiwitmolekuul waarbij ik een heleboel andere dingen al overboord gegooid heb die de kans waarschijnlijk nog eens 10^10000 kleiner maken.
Daar komt nog bij dat je eiwitten altijd in 2 variaties kunt maken. Linksdraaiend en rechtsdraaiend. Laat de grap nou zijn dat alle natuurlijke eiwitten dezelfde kant op draaien.

Ik zie trouwens niet helemaal in wat dit met religie te maken heeft, anders dan jouw reactie die duidelijk geinspireerd is op jouw wereldbeeld. Ik probeer juist 'de natuur' te ont-deïficeren en depersonificeren.

Als ik het niet fout heb heeft elk organisme dit.
In ieder geval hebben we ATP-synthesase, dat is een soort molentje waarmee ATP wordt gemaakt, waarin ons energie min of meer wordt opgeslagen (na 1 minuut of zo heb je het wel allemaal verbruikt, dus die molens zijn constant aan de gang).
Maar ik weet niet of die bij dezelfde groep moleculen hoort.

We are the Borg

Resistance is futlile: You will be assimilated

Haha, jij op de frontpage van Tweakers