Beweging van moleculaire motor gekoppeld aan rotor

Bij een motor die een machine aandrijft moet de beweging van de motor omgezet worden in een gerichte beweging van de rest van het systeem. Een team van organisch chemici van de RUG onder leiding van Ben Feringa heeft dit principe als eerste toegepast bij een moleculaire motor. Zij maakten een door licht aangedreven motor waarvan de draaibeweging is gekoppeld aan een rotor. Zij publiceerden hun resultaten op 2 juni in het wetenschappelijke tijdschrift Science.

De rotor van naftaleen zit vast aan de motor via een enkele koolstof-koolstof verbinding, die dient als vrij draaipunt. Het totale molecuul is zo ontworpen dat de beweging van de rotor wordt gecontroleerd. Net zoals de maan om de aarde draait terwijl steeds dezelfde kant naar ons is gericht, zo houdt de rotor van naftaleen dezelfde relatieve stand aan terwijl hij een omwenteling om de motor maakt.

‘Er was nogal wat ingewikkelde stereochemie nodig om dit voor elkaar te krijgen. Er zit een jaar of vier, vijf werk in’, zegt Feringa, die afgelopen jaar met twee collega’s de Nobelprijs voor Chemie ontving voor pionierswerk aan moleculaire motoren. ‘Maar we hebben nu een fundamentele stap gezet in de ontwikkeling van moleculaire machines: het synchroniseren van beweging.’

Balans

Tijdens de vier stappen waarmee de motor een volledige omwenteling maakt is de rotor van naftaleen beperkt in zijn beweging door de rest van het molecuul. Op die manier is de beweging van motor en rotor gekoppeld. ‘We moesten een balans vinden: we wilden de beweging van de rotor beperken, maar hij moest wel van positie veranderen.’ Het team bouwde twee verschillende versies, waarbij de rotor naar binnen of naar buiten wees en rond werd geduwd of getrokken door de motor.

Met het koppelen van twee bewegende delen heeft de groep van Feringa een belangrijk stap gezet in het maken van functionele moleculaire machines. ‘In de biologie zie je veel van dit soort systemen, waarbij moleculen via een soort versnellingsbak zijn gekoppeld, zodat beweging wordt gesynchroniseerd of versterkt. Maar in kunstmatige systemen, zoals dat van ons, is zoiets niet eerder vertoond, voor zover ik weet.

Het systeem dat Feringa beschrijft in Science heeft geen praktische toepassing. ‘Dit is net zoiets als het bouwen van de moleculaire auto, zes jaar geleden. Daarmee lieten we zien dat het mogelijk is de draaibeweging van onze moleculaire motor om te zetten in gerichte beweging over een oppervlak,’zegt Feringa. ‘Nu laten we zien dat het mogelijk is om beweging door te geven.’

Referentie: Peter Štacko, Jos C. M. Kistemaker, Thomas van Leeuwen, Mu-Chieh Chang, Edwin Otten, Ben L. Feringa: Locked synchronous rotor motion in a molecular motor. Science 2 juni 2017, DOI 10.1126/science.aam8808