分子プロペラ

分子プロペラは、マクロなプロペラに類似して設計された特殊な形状により、回転すると流体を推進できる分子です。^[1]^{[2]分子プロペラには、シャフトの円周上に一定の}ピッチ角で取り付けられた複数の分子スケールのブレードがあり、回転軸に沿って整列しています。

イリノイ大学シカゴ校のペトル・クラル教授のグループが設計した分子プロペラは、平面芳香族分子で形成されたブレードとカーボンナノチューブでできたシャフトを持っています。^[3] 分子動力学シミュレーションは、これらのプロペラが液体のバルク内および表面で効率的なポンプとして機能することを示しています。そのポンピング効率は、ブレードと液体の界面の化学的性質に依存します。たとえば、ブレードが疎水性であれば、水分子はブレードに結合せず、プロペラは水をうまく汲み上げることができます。ブレードが親水性であれば、水分子は極性ブレードの原子と水素結合を形成します。これにより、ブレード周辺の他の水分子の流れが大幅に妨げられ、ポンピングが大幅に遅くなります。

運転

分子プロペラは、化学的、生物学的、光学的、電気的手段によって駆動される分子モーターによって回転させることができる。 ^[4]^[5]^[6]または様々なラチェットのようなメカニズム^[7]。自然は、ミオシン、キネシン、ATP合成酵素などの非常に洗練された分子モーターを多数使用して、ほとんどの生物学的活動を実現している。 ^[8]例えば、鞭毛と呼ばれるタンパク質ベースの尾に取り付けられた回転分子モーターは、細菌を推進することができる。

アプリケーション

同様に、分子プロペラと分子モーターを組み合わせることで、流体を送り出したり移動したりできるナノスケールの機械を形成できます。 [ ^9]これらのナノシステムの将来的な応用範囲は、物理学や化学における新しい分析ツール、生物学や医学における薬物送達や遺伝子治療、高度なナノ流体ラボオンチップ技術、ナノスケールやマイクロスケールでさまざまな活動を行う小型ロボットにまで及びます。

参照

参考文献

^ J. Vacek および J. Michl、「分子「Tinkertoy」構築キット: 分子プロペラのコンピューターシミュレーション」、New J. Chem. 21、1259 1997。
^ Simpson, Christopher D.; Mattersteig, Gunter; Martin, Kai; Gherghel, Lileta; Bauer, Roland E.; et al. (2004). 「ポリフェニレンデンドリマーのシクロ脱水素化によるナノサイズ分子プロペラ」。アメリカ化学会誌。126 (10). アメリカ化学会 (ACS): 3139–3147. doi :10.1021/ja036732j. ISSN 0002-7863. PMID 15012144.
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外部リンク

イリノイ大学シカゴ校プレスリリース
CBCニュースのテクノロジーと科学のハイライト
Nature誌の分子プロペラ特集
Nature Nanotechnology誌の分子プロペラ特集

[1] J. Vacek および J. Michl、「分子「Tinkertoy」構築キット: 分子プロペラのコンピューターシミュレーション」、New J. Chem. 21、1259 1997。

[2] Simpson, Christopher D.; Mattersteig, Gunter; Martin, Kai; Gherghel, Lileta; Bauer, Roland E.; et al. (2004). 「ポリフェニレンデンドリマーのシクロ脱水素化によるナノサイズ分子プロペラ」。アメリカ化学会誌。126 (10). アメリカ化学会 (ACS): 3139–3147. doi :10.1021/ja036732j. ISSN 0002-7863. PMID 15012144.

[3] Wang, Boyang; Král, Petr (2007-06-28). 「化学的に調整可能な液体のナノスケールプロペラ」. Physical Review Letters . 98 (26). American Physical Society (APS): 266102. Bibcode :2007PhRvL..98z6102W. doi :10.1103/physrevlett.98.266102. ISSN 0031-9007. PMID 17678108.

[4] Kelly, T. Ross; De Silva, Harshani; Silva, Richard A. (1999). 「分子システムにおける一方向回転運動」. Nature . 401 (6749). Springer Science and Business Media LLC: 150–152. Bibcode :1999Natur.401..150K. doi :10.1038/43639. ISSN 0028-0836. PMID 10490021. S2CID 4351615.

[5] Koumura, Nagatoshi; Zijlstra, Robert WJ; van Delden, Richard A.; Harada, Nobuyuki; Feringa, Ben L. (1999). 「光駆動型一方向性分子ローター」(PDF) . Nature . 401 (6749). Springer Science and Business Media LLC: 152–155. Bibcode :1999Natur.401..152K. doi :10.1038/43646. hdl : 11370/d8399fe7-11be-4282-8cd0-7c0adf42c96f . ISSN 0028-0836. PMID 10490022. S2CID 4412610.

[6] Bustamante, Carlos; Chemla, Yann R.; Forde, Nancy R.; Izhaky, David (2004). 「生化学における機械的プロセス」。Annual Review of Biochemistry . 73 (1). Annual Reviews: 705–748. doi :10.1146/annurev.biochem.72.121801.161542. ISSN 0066-4154. PMID 15189157.

[7] Astumian, R. Dean (1997-05-09). 「ブラウン運動モーターの熱力学と運動学」. Science . 276 (5314). アメリカ科学振興協会 (AAAS): 917–922. doi :10.1126/science.276.5314.917. ISSN 0036-8075. PMID 9139648.

[8] ^ Tsunoda, SP; Aggeler, R.; Yoshida , M.; Capaldi, RA (2001-01-30). 「完全に機能する F1Fo ATP 合成酵素における c サブユニットオリゴマーの回転」。米国科学アカデミー紀要。98 ( 3): 898–902。Bibcode :2001PNAS... 98..898T。doi : 10.1073 / pnas.98.3.898。ISSN 0027-8424。PMC 14681。PMID 11158567。

[9] Soong, RK; Bachand, GD; Neves, HP; Olkhovets, AG; Craighead, HG; Montemagno, CD (2000-11-24). 「バイオ分子モーターによる無機ナノデバイスの駆動」. Science . 290 (5496). アメリカ科学振興協会 (AAAS): 1555–1558. Bibcode :2000Sci...290.1555S. doi :10.1126/science.290.5496.1555. PMID 11090349.