Napędzane światłem silniki molekularne na powierzchniach do obrazowania pojedynczych cząsteczek
13 marca 2019
Rękopis opisuje, jak zsyntetyzować i zaszczepić silnik molekularny na powierzchniach do obrazowania pojedynczych molekularnych.
Protokół ten stanowi pierwszy przykład wizualizacji rotacji stworzonego przez człowieka silnika molekularnego napędzanego światłem na poziomie pojedynczej cząsteczki. Zastosowana tutaj technika syntezy ma na celu umożliwienie syntezy złożonej maszyny molekularnej z kilkoma grupami funkcyjnymi. Najpierw w atmosferze argonu umieść 640 miligramów drugiego związku prekursorowego wirnika, 219 miligramów jodku miedzi i 3,44 grama jodku sodu w 100-mililitrowej probówce Schlenka wyposażonej w mieszadło.
Podłącz szczelnie zamkniętą probówkę do linii Schlenka i dodaj 50 mililitrów 1,4-dioksanu i 263 miligramy trans-1,2-diaminocykloheksanu. Mieszaj mieszaninę w temperaturze 140 stopni Celsjusza przez 24 godziny, aby zamienić podstawnik bromu na jod. Następnie pozwól mieszaninie ostygnąć do temperatury pokojowej i odparuj rozpuszczalnik w próżni.
Oczyść związek za pomocą chromatografii błyskawicznej z żelem krzemionkowym i usuń substancje lotne, aby otrzymać związek podstawiony jodem trzy w postaci lepkiego, żółtego oleju. Następnie umieścić 415 miligramów odczynnika Lawessona i 219 miligramów związku trzy w kolbie Schlenka wyposażonej w mieszadło. Podłączyć kolbę do przewodu Schlenka za pomocą kondensatora i trzykrotnie przepłukać ją argonem.
Dodaj 10 mililitrów toluenu i refluksuj mieszaninę przez dwie godziny, aby przekształcić związek trzeci w tioketon. Odparować rozpuszczalnik i oczyścić tioketon metodą chromatografii błyskawicznej. Usuń substancje lotne z czystej frakcji i rozpuść wyizolowany tioketon w 20 mililitrach tetrahydrofuranu.
Następnie rozpuść 476 miligramów świeżo przygotowanego związku 4, który jest prekursorem diazo stojana, w kolejnych 20 mililitrach THF. Dodać roztwór związku 4 do roztworu tioketonu i refluksować mieszaninę pod argonem przez 16 godzin, mieszając w celu utworzenia podwójnego wiązania między wirnikiem a stojanem. Odparować nadmiar rozpuszczalnika, oczyścić surowy produkt za pomocą chromatografii błyskawicznej i usunąć substancje lotne w celu otrzymania związku silnikowego 5 w postaci czerwonego ciała stałego.
Następnie dodaj 165 miligramów silnika 5, 4,56 miligrama chlorku bis(trifenylofosfiny) palladu i 2,48 miligrama jodku miedzi do 20-mililitrowej rurki Schlenka wyposażonej w mieszadło. Uszczelnij rurkę i podłącz ją do przewodu Schlenka. Połącz 10 mililitrów THF i dwa mililitry diizopropyloaminy i przepuszczaj argon przez mieszaninę przez 10 minut.
Następnie przenieść mieszaninę do probówki Schlenka i mieszać mieszaninę reakcyjną pod argonem w temperaturze pokojowej przez 10 minut. Dodaj 42 miligramy triizopropylosililenu acetylenu i kontynuuj mieszanie przez 15 do 16 godzin, aby zastąpić jod acetylenem TIPS. Następnie wlej mieszaninę produktu do 25 mililitrów nasyconego wodnego roztworu chlorku amonu.
Wyekstrahuj produkt do trzech 20-mililitrowych porcji dichlorometanu i przemyj połączone warstwy organiczne raz 50 mililitrami nasyconej solanki. Wysuszyć umyte warstwy organiczne na siarczanie sodu. Odfiltruj środek osuszający i usuń nadmiar rozpuszczalnika.
Oczyścić pozostałość za pomocą chromatografii błyskawicznej i usunąć substancje lotne w próżni, aby otrzymać silnik szósty w postaci brązowego oleju. W 50-mililitrowej kolbie wyposażonej w mieszadło wymieszaj 90 miligramów silnika z oznaczeniem PBI 12, pięć mililitrów THF, pięć mililitrów metanolu i pięć mililitrów jednomolowego wodnego wodorotlenku sodu. Mieszaj mieszaninę w temperaturze 70 stopni Celsjusza przez sześć godzin, aby zhydrolizować estry na stojanie.
Następnie schłodzić mieszaninę do temperatury pokojowej, mieszając. Dodaj pięć mililitrów podwójnie destylowanej wody i usuń lotne rozpuszczalniki przez odparowanie obrotowe. Dodaj wodny jednomolowy kwas hydrauliczny, aż mieszanina osiągnie pH jeden, w którym to momencie silnik 1b wytrąci się z roztworu w postaci brązowego ciała stałego.
Odzyskaj ciało stałe przez filtrację, umyj je 10 mililitrami zimnej wody i wysusz w próżni. Następnie namocz szkiełka kwarcowe w roztworze piranii w temperaturze 90 stopni Celsjusza przez godzinę. Przepłukać szkiełka pięcioma mililitrami podwójnie destylowanej wody trzy razy i raz metanolem.
Osuszyć szkiełka gazowym azotem. Następnie przygotuj jednomilimolowy roztwór 3-aminopropylo(dietoksy)metylosilanu w świeżo destylowanym toluenie. Namocz szkiełka w tym roztworze przez 12 godzin w temperaturze pokojowej, a następnie przepłucz silanizowane szkiełka pięcioma mililitrami toluenu i metanolu.
Zanurz szkiełka w toluenie i metanolu po kolei na dwie minuty każde, a następnie wysusz je pod strumieniem argonu. Następnie przygotuj pięć mililitrów 0,1-milimolowego roztworu silnika 1b w dimetyloformamidzie dla każdego szkiełka. Namocz szkiełka w roztworze 1b w temperaturze pokojowej na 12 godzin, aby funkcjonalizować powierzchnie kwarcowe monowarstwą 1b.
Umyj kolejno funkcjonalizowane szkiełka DMF, wodą i metanolem. Osusz szkiełka argonem i przechowuj je w szczelnie zamkniętym pojemniku pod argonem. Silnik molekularny 1b zsyntetyzowano z umiarkowaną wydajnością, ze sztywnym ramieniem tetrameru fenylo-etynylenowego łączącym rdzeń wirnika ze znacznikiem fluorescencyjnym.
Widmo protonów NMR nie wykazało znaczącego sprzężenia wiklinalnego między Ha i Hc, co jest zgodne z tym, że Ha i Hc są w orientacjach pseudorównikowych. Zaobserwowano osiowe równikowe sprzężenie vicinal między Hb i Hc.Napromieniowanie z 365-nanometrową izomeryzacją indukowaną światłem wokół centralnego podwójnego wiązania z tym niestabilnym izomerem. Przesunięcie sygnału metylowego w dół i rozwój sprzężenia vicinal między Ha i Hc wskazywały, że grupa metylowa była pseudorównikowa.
Gdy związek był przechowywany w ciemności w temperaturze pokojowej, inwersja helisy termicznej uwolniła naprężenie cząsteczki, a naftalen prześlizgnął się obok fluorenu. To przywróciło cząsteczkę do jej pierwotnej konfiguracji dzięki symetrycznemu stojanowi fluorenu. Spektroskopia UV/vis stabilnych i niestabilnych izomerów wykazała niewielkie różnice w charakterystycznych obszarach absorpcji dla ramienia sztywnego i znacznika fluorescencyjnego.
Udany montaż monowarstwy silnika 1b na kwarcu został potwierdzony za pomocą spektroskopii UV/vis. Monowarstwa potrzebowała zaledwie 15 minut napromieniowania, aby dotrzeć do niestabilnego izomeru w stanie fotostacjonarnym. Ważne jest, aby upewnić się, że związki diazowe i tioketonowe są świeżo wyprodukowane, aby zapewnić pomyślną syntezę silnika 5.
Dziedzina badawcza maszyn molekularnych może skorzystać z tej metody, ponieważ stanowi ona ważną wskazówkę do projektowania, syntezy i wizualizacji złożonych maszyn molekularnych. Roztwór piranii służy do czyszczenia szkiełek. Ten roztwór jest silnie kwaśny i należy go stosować ostrożnie.
Przegląd
Niniejsze badanie przedstawia protokół syntezy i szczepienia napędu molekularnego sterowanego światłem na powierzchniach w celu obrazowania pojedynczych cząsteczek. Metoda ta umożliwia wizualizację rotacji silnika na poziomie molekularnym.
Kluczowe elementy badania
Dziedzina nauki
- Neuronauka
- Biochemia
- Obrazowanie molekularne
Wstęp
- Silniki molekularne są niezbędne dla wielu procesów biologicznych.
- Zrozumienie ich zachowania na poziomie pojedynczych cząsteczek może dostarczyć wiedzy na temat ich funkcjonalności.
- Poprzednie badania koncentrowały się na właściwościach zbiorczych, a nie na dynamice pojedynczych cząsteczek.
- Celem niniejszych badań jest wypełnienie tej luki poprzez opracowanie podejścia syntetycznego.
Cel badania
- Synteza sztucznego molekularnego silnika napędzanego światłem.
- Umożliwienie obrazowania rotacji silnika na poziomie pojedynczych cząsteczek.
- Opracowanie metody szczepienia silnika na powierzchniach.
Zastosowane metody
- Synteza komponentów rotora i statora w kontrolowanych warunkach.
- Funkcjonalizacja powierzchni kwarcowych za pomocą zsyntetyzowanego silnika.
- Charakterystyka silnika molekularnego z wykorzystaniem spektroskopii NMR oraz UV/vis.
- Wizualizacja rotacji silnika za pomocą technik obrazowania pojedynczych cząsteczek.
Główne wyniki
- Motor molekularny został pomyślnie zsyntetyzowany i scharakteryzowany.
- Monowarstwa motoru została osadzona na powierzchniach kwarcowych.
- Obrazowanie pojedynczych cząsteczek potwierdziło rotacyjne zachowanie motoru.
- Spektroskopia UV/vis wykazała wyraźne cechy absorpcji motoru.
Wnioski
- Badanie przedstawia wykonalną metodę syntezy i obrazowania motorów molekularnych.
- Podejście to może zostać zastosowane do dalszych badań nad maszynami molekularnymi.
- Przyszłe badania mogą zgłębiać wpływ dynamiki motorów na systemy biologiczne.
Najczęściej zadawane pytania
Znaczenie dla przemysłu
Bezpośrednia wizualizacja napędzanych światłem silników molekularnych na poziomie pojedynczych cząsteczek umożliwia uzyskanie bezprecedensowego wglądu w mechanizmy działania syntetycznych maszyn molekularnych. Możliwość ta wspiera wczesne etapy odkryć, wyjaśniając ruch, funkcję oraz oddziaływania powierzchniowe, które są kluczowe dla rozwoju urządzeń molekularnych. Takie podejścia zwiększają wiarygodność przewidywań i pozwalają na minimalizację ryzyka na styku chemii, nanotechnologii oraz badań i rozwoju w sektorze biofarmaceutycznym.
Strategiczne zastosowania w badaniach i rozwoju biofarmaceutycznym
Wczesne etapy odkrywania i walidacja celu
- Umożliwia bezpośrednią obserwację działania syntetycznych maszyn molekularnych w celu mechanistycznej minimalizacji ryzyka.
- Wspiera weryfikację hipotez dotyczących ruchu molekularnego poprzez wyniki obrazowania pojedynczych cząsteczek.
- Ułatwia wyjaśnienie ścieżek reakcji poprzez powiązanie struktury chemicznej z zachowaniem dynamicznym.
- Dostarcza podstawowych danych do selekcji kandydatów na maszyny molekularne w portfelach odkryć.
Przesiewanie i opracowywanie testów
- Ustanawia powtarzalne protokoły funkcjonalizacji powierzchni i obrazowania maszyn molekularnych.
- Zapewnia ilościowe wyniki za pomocą spektroskopii NMR oraz UV/vis w celu standaryzacji testów.
- Umożliwia przygotowanie zwalidowanych monowarstw do dalszego przesiewania lub badań mechanistycznych.
- Wspiera rzetelną ocenę kandydatów na urządzenia molekularne w kontrolowanych warunkach.
Badania translacyjne i przedkliniczne
- Zapewnia platformę do badania zachowania maszyn molekularnych istotnych dla rozwoju urządzeń w nanoskali.
- Umożliwia przejście od projektu syntetycznego do walidacji funkcjonalnej na poziomie pojedynczej cząsteczki.
- Wspiera ograniczanie ryzyka przy rozwoju koncepcji maszyn molekularnych w kierunku zastosowań translacyjnych.
- Oferuje predykcyjne ograniczanie ryzyka w kontekście przyszłej integracji ze złożonymi systemami biologicznymi lub materiałowymi.
Integracja potoku i przepływu pracy
Ta metoda pozycjonuje obrazowanie pojedynczych cząsteczek syntetycznych motorów jako pomost łączący syntezę chemiczną z walidacją funkcjonalną, wspierając procesy od wczesnego odkrywania po ewaluację przedkliniczną maszyn molekularnych.
- Biologia odkrywcza: Dostarcza bezpośrednich dowodów na ruch obrotowy i relacje struktura-funkcja w syntetycznych maszynach molekularnych.
- Przesiewanie: Umożliwia powtarzalne procesy szczepienia powierzchni i obrazowania w celu oceny kandydatów.
- Analityka: Dostarcza ilościowych wyników NMR i UV/vis do porównania stanów izomeryzacji i ruchu.
- Badania translacyjne: Kładzie podwaliny pod przyszłe zastosowania biomimetyczne lub urządzeniowe poprzez walidację funkcji na poziomie molekularnym.
- Ponowne wykorzystanie w przedsiębiorstwie: Ustanawia powtarzalny protokół wizualizacji i analizy różnych maszyn molekularnych na powierzchniach.
Wpływ operacyjny i przedsiębiorczy
- Wartość naukowa: Zwiększa pewność predykcyjną w zakresie projektowania i funkcji maszyn molekularnych.
- Wartość operacyjna: Standaryzuje procesy syntezy, funkcjonalizacji powierzchni i obrazowania w celu zapewnienia powtarzalności.
- Wartość strategiczna: Umożliwia podejmowanie świadomych decyzji o kontynuacji lub przerwaniu prac nad kandydatami na urządzenia molekularne na podstawie bezpośrednich dowodów funkcjonalnych.
- Wpływ na portfolio: Wspiera priorytetyzację syntetycznych maszyn molekularnych do dalszego rozwoju w oparciu o analizę ryzyka.
Kwestie związane z implementacją
- Wymagana jest wiedza z zakresu syntetycznej chemii organicznej oraz technik funkcjonalizacji powierzchni.
- Wymagany jest dostęp do spektroskopii NMR, UV/vis oraz aparatury do obrazowania pojedynczych cząsteczek.
- Niezbędna jest rygorystyczna standaryzacja międzyzespołowa w celu zapewnienia powtarzalności przygotowania i analizy powierzchni.
- Możliżna jest konieczność adaptacji metody dla różnych architektur maszyn molekularnych lub typów powierzchni.
- Świeże przygotowanie kluczowych produktów pośrednich jest krytyczne dla pomyślnej syntezy i funkcjonalizacji.
Najczęściej zadawane pytania dotyczące biofarmacji
Chapters in this video
0:04
Title
0:27
Synthesis of (Triisopropylsilyl)acetylene-Bearing Motor (Compound 6)
4:10
Ester Hydrolysis of Perylene Bisimide (PBI)-Labeled Motor (Motor 1b) and Assembly of Motor Monolayer (MS-1b)
6:22
Results: Rotary Motion of Motor 1b in Solution and on Surfaces
7:57
Conclusion
