Lys-drevet molekylær motorer på overflater for enkelt molekylær Imaging

Chemistry
 

Summary

Manuskriptet beskriver hvordan å syntetisere og pode en molekylær motor på overflater for enkelt molekylær bildebehandling.

Cite this Article

Copy Citation | Download Citations

Chen, J., Vachon, J., Feringa, B. L. Light-driven Molecular Motors on Surfaces for Single Molecular Imaging. J. Vis. Exp. (145), e58750, doi:10.3791/58750 (2019).

Please note that all translations are automatically generated.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Design og syntese av en syntetisk system som mål for direkte visualisering av en syntetisk roterende motor på ett molekyl nivå på overflater er vist. Dette arbeidet krever forsiktig design, betydelig syntetiske innsats og skikkelig analyse. Roterende bevegelse av molekylære motoren i løsningen vises av 1H-NMR og UV-vis absorpsjon spektroskopi teknikker. I tillegg er metoden pode motoren på et Amin-belagt kvarts beskrevet. Denne metoden hjelper deg for å få mer innsikt i molekylær maskiner.

Introduction

I levende organismer er det rikelig molekylær motorer fungerer for å opprettholde daglige liv. De er i stand til å utføre ulike oppgaver som brensel produksjon, transport, mobilitet, etc.1. Tegning fra inspirasjon av disse fascinerende eksempler i naturen, har forskere utviklet en rekke kunstige molekylær motorer de siste tiårene konvertere ulike typer energi i kontrollerte bevegelse på molekylært nivå2 , 3 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10. den Nobelprisen i kjemi i 2016 ble tildelt tre pionerer i dette feltet. Ben Feringa, en av prisvinnerne, har utviklet lys-drevet molekylær motoren som er i stand til å gjennomgå kontinuerlig einsretta roterende bevegelse.

Men på molekylært nivå er Brownsk bevegelse, også kjent som tilfeldige bevegelse molekylær kollisjoner og vibrasjoner, vanligvis store hinderet for ytterligere anvendelse av disse molekylær motorer. Brownsk bevegelse kan forstyrre noen regissert bevegelse. Trange molekylær motorene på overflater kan være ett av alternativene for å løse dette problemet. Dermed konverteres relative rotasjon av en del av molekylet forhold til andre til absolutt rotasjon av rotoren i forhold til overflaten11. I tillegg kan bruk av enkelt molekylær tenkelig teknikk å visualisere bevegelse. Derfor vil resultatene av dette arbeidet bidra til å få mer innsikt i syntetisk molekylær motoren.

Det banebrytende arbeidet til Yoshida og Kinosita (figur 2a)12,13 har fungert som inspirasjon for design i arbeidet, vist i figur 2b. Den nedre halvdelen av en lys-drevet molekylær motor er knyttet til en overflate som stator. Delen rotoren er functionalized med en rigid arm og fluorescerende etikett. Når du bruker to ulike bestråling bølgelengder systemet, utløse en rotasjon av motoren, mens andre vil opphisse fluorescerende koden. I prinsippet utløser den roterende bevegelsen av rotoren rotasjon av gruppen fluorescerende. Derfor kan rotasjon av fluorescerende koden bli etterfulgt av defokusert wide-field fluorescens mikroskopi. Denne metoden gir, for første gang, en metode for å konvertere den relative rotasjonen av en molekylær motor til absolutt rotasjon, og dermed en måte å visualisere rotasjon av en syntetisk motor.

Denne artikkelen inneholder detaljer om design, totalt syntese og løsning isomerization studier av en molekylær motor som brukes for enkelt molekylær bildebehandling. Den molekylære strukturen vises i Figur 3. I tillegg er metoden å feste molekylær motorer på kvarts overflaten beskrevet.

Protocol

Merk: Organisk syntese er store kjernen i dette prosjektet. Figur 1 viser de viktigste trinnene og hvordan du anskaffer mål molekylet.

1. forberedelse av 1b

Merk: Løsemidler ble kjøpt i analytisk klasse.

  1. Syntese av keton (3)
    Merk: Først, en fem-medlem ring keton 2 med en iodo gruppe er functionalized fordi det er mer reaktiv. Denne reaksjonen utføres under argon atmosfære.
    1. I en forseglet tube (100 mL) som inneholder 2 (640 mg, 2,3 mmol), CuI (219 mg, 1.1 mmol) og NaI (3.44 g, 23 mmol) til 1,4-dioxane (50 mL) og N, N'-dimethyl ethylenediamine (202 mg, 2,3 mmol).
    2. Angi reaksjon temperaturen til 140 ° C og rør i 24 timer.
    3. Avkjøle blandingen til romtemperatur (RT), fjerne løsemiddelet i vacuo og rense det gjenværende materialet av flash kromatografi: SiO2 (40 g); eluent: pentane: EtOAc = 10:1 (totalt = 550 mL). Produktet bør fås som en gul, klissete olje (642 mg, 91%).
  2. Syntese av motor 5
    Merk: Bruk Barton-Kellogg reaksjonen til sentrale dobbelt bånd. Denne reaksjonen utføres under argon.
    1. I en 50 mL runde bunn bolle, Legg Lawessons reagens (415 mg, 1.1 mmol), keton 3 (219 mg, 0.68 mmol) og toluen (10 mL).
    2. Varm blandingen på reflux for 2t og senere fordampe løsemiddelet.
    3. Rense rester av flash kolonne: SiO2 (24 g), eluent: pentane: ethyl acetate = 30: 1 (totalt = 155 mL) å få den tilsvarende thioketone, som er senere redissolved i 20 mL THF å gi en blå løsning.
    4. Legger en THF løsning (20 mL) på diazo sammensatte 4 (476 mg, 1.37 mmol) til blå løsning og røre nylig blandet løsningen ved 50 ° C over natten.
      Merk: Dette er det mest avgjørende skrittet fra hele syntese. Diazo sammensatte og thioketone løsningen må være friske og bør gjøres før reaksjonen.
    5. Fordampe løsemiddelet og rense rester av kromatografi: SiO2 (24 g), eluent: pentane: lm2Cl2 = 10:1 (totalt = 220 mL) å gi motor 5 (250 mg, 50%) som en rød solid.
  3. Syntese av motor 6
    Merk: Når sentrale dobbelt bånd er dannet, erstatte gruppen iodo ved en acetylen moiety.
    1. En 20 mL Schlenk rør, legge 3 (165 mg, 0,26 mmol) Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 muldvarp %), CuI (5 muldvarp %). Legg deretter til THF (10 mL) og (jeg-Pr)2NH (2 mL) som bør være frikirkelige argon for 10 min før.
    2. Rør blandingen på RT i 10 min. Legg deretter til triisopropylsilyl acetylen (42 mg, 0,27 mmol).
    3. Rør blandingen 15 h, og hell den i en vandig mettet NH4Cl løsning (25 mL).
    4. Pakk blandingen med lm2Cl2 (3 x 20 mL). Videre vaske kombinert organiske lagene med mettet saltlake og tørr (Na2SO4).
    5. Fjerne løsemiddelet og rense rester av flash kromatografi: SiO2 (12 g), eluent: pentane: lm2Cl2 = 10:1 (220 mL) å gi 8 som en brun olje (171 mg, 99%).
  4. Syntese av motoren 8
    Merk: Denne reaksjonen er utført under argon.
    1. Rør en blanding av 6 (161 mg, 0,24 mmol), pinacol ester 7 (240 mg, 0.71 mmol), K3PO4 (300 mg, 1,44 mmol) og Pd (PPh3)4 (98 mg, 0.096 mmol) i 1, 4dioxane (20 mL) ved 90 ° C i en 50 mL Schlenk tube 16 h.
    2. Avkjøle blandingen til RT fortynne den med ethyl acetate (30 mL) og utføre for filtrering med et glass filter.
    3. Fjerne løsemiddelet. Rense rester av flash kolonne kromatografi: SiO2 (12 g), eluent: pentane: lm2Cl2= 1:6 (totalt = 122 mL) å gi ester 8 som en brun olje (156 mg, 56%).
  5. Syntese av motor 9
    1. Legge til TBAF (0,1 mL) i en løsning av 8 (120 mg, 0,13 mmol) i THF (10 mL) i en 20 mL Schlenk rør ved 0 ° C.
    2. Rør blandingen ved 0 ° C i 1 time og hell den i en vandig mettet NH4Cl løsning (20 mL).
    3. Ekstraksjon med CHCl3 (3 x 10 mL), vaskes kombinert organiske lagene med mettet saltlake og tørr (Na2SO4).
    4. Fjerne løsemiddelet og rense rester av flash kromatografi: SiO2 (12 g), eluent: pentane: ethyl acetate = 1:3 (124 mL) å gi 9 som en mørk rød olje (116 mg, 95%).
  6. Syntese av motor 12
    Merk: Denne reaksjonen er utført under argon.
    1. En 20 mL Schlenk rør, legge til motor 9 (75 mg, 0,10 mmol) PBI 11 (68 mg, 0,10 mmol) Pd (PPh3)2Cl2 (2,5 mol %), CuI (5 mol %). Legg deretter til THF (10 mL) og (jeg-Pr)2NH (2 mL) som bør være frikirkelige argon for 10 min før.
    2. Rør blandingen over natten og hell den i en vandig mettet NH4Cl løsning.
    3. Ekstraksjon med CHCl3 (3 x 20 mL), vaskes kombinert organiske lagene med mettet saltlake og tørr (Na2SO4).
    4. Fjerne løsemiddelet og rense rester av flash kromatografi: SiO2 (12 g), eluent: CHCl3 (100 mL) å gi motor 12 som en mørk rød solid (66 mg, 57%).
  7. Syntese av motor 1b
    Merk: Når ester sammensatte er oppnådd, hydrolyze for å gjøre endelige mål molekylet.
    1. Oppløse de ester 12 (90 mg, 0.038 mmol) i THF (5 mL), MeOH (5 mL) og NaOH(a) (1 M, 5 mL) i en 50 mL bolle og varm blandingen til 75 ° C 16 h.
    2. Avkjøle blandingen til RT og legge 5 mL vann. Fjern THF og MeOH av roterende fordampning.
    3. Sjarmere blandingen med HCl(a) (1 M) fram en pH på 1 til en brun utløse. Filtrer blandingen og vaske brun solid med kaldt vann (10 mL) og tørr i vacuo. Denne brun solide er mål molekylet 1b (55 mg, 85%).

2. forberedelse av motor functionalized monolayer MS-1b

  1. Rengjør kvarts lysbilder ved å fordype seg i en piranha løsning (3:7 forholdet mellom 30% H2O2 i H2SO4) ved 90 ° C i 1 h. skyll rikelig med dobbelt destillert vann 3 x, så skyll med MeOH. Tørr lysbildene under en strøm av N2 tidligere overflaten modifisering.
  2. Silanize kvarts piranha rengjort lysbilder ved å leve i en 1 mM løsning av 3-aminopropyl (diethoxy) methylsilane i fersk destillert toluen på RT for 12 h. skyll rikelig med toluen og MeOH.
  3. Sonicate av kvarts først i toluen, så MeOH, og tørk dem under en strøm av argon.
  4. Fordype Amin-belagt lysbildene i DMF løsning av 1b (10-4 M) på RT 12 h.
  5. Vask lysbildene med DMF, vann og MeOH, deretter tørkes under en strøm av argon. Etter tørking er lysbildene klar til bruk.

Representative Results

Bestråling av molekylære motoren er utført med UV lys (λMaks = 365 nm). Ved bestråling oppstår en foto-indusert EZ isomerization rundt den sentrale dobbel båndet. Under denne prosessen er molekylet forvandlet fra et stabilt til en ustabil isomer. En termisk aktivert helix inversjon trinn deretter følger å løslate belastningen av hele molekylet. Dette resulterer i den opprinnelige stabile staten. 1 H-NMR spektroskopi er da ansatt å evaluere roterende prosessen (figur 4a). En løsning av prøven er utarbeidet i en NMR rør og en lampe av UV-lys (λMaks = 365 nm) er plassert ved siden av røret. Etter 2 timer med bestråling, kan forskjellige endringer bli funnet i 1H-NMR spekter. Disse endringene angir generering av en ny isomer som anses å være ustabil-1b (figur 4b). Det er sett i 1H-NMR spektroskopi som Hen skifter fra 2,9 ppm (doublet) til 3,3 ppm (dobbel doublet). Signalet på 1,4 ppm kan tilordnes som absorpsjon av methyl gruppe, og det downfield skifter fra 1,4 ppm til 1,6 ppm. Når prøven holdes over natten i romtemperatur i mørket, opprinnelige spekteret kan være gjenopprettet (figur 4a). Angir prosessen med termisk helix inversjon som konverterer ustabil-1b til stabil-1b.

For å studere motor 1b roterende bevegelse på overflater, overflate-vedlagt motor samlingene MS-1b (MS = motor på overflater) er forberedt. Kvarts lysbildene er første functionalized med Amin. Etter dette trinnet er av kvarts nedsenket i en DMF løsning (10-4 M) av 1b på RT over natten. Den resulterende kvarts skylles med DMF, vann og MeOH. Forberedt kvarts lysbildene sendes deretter for UV/vis studier. Et UV/vis absorpsjon spekter av MS-1b (heltrukket linje) er vist i figur 5b. Som sett i spekteret, er store absorpsjon bandet og absorpsjon profil samme som observert i løsning (figur 5a). Den viser også de karakteristiske tiltrekningsenergier for motor (420 nm) og PBI (456 nm, 490 nm, 524 nm). Disse toppene foreslå vellykket feste motor 1b Amin-belagt overflater. I tillegg kvarts lysbildet er bestrålt i 15 min, og spectral endringer er observert ligner på løsningen, indikerer generasjon av den ustabile MS-1b.

Figure 1
Figur 1 : Syntetisk ordningen mot utarbeidelse av mål molekylet 1b. Ordningen viser reagenser, løsemidler og reaksjonen forhold som brukes i hvert trinn.

Figure 2
Figur 2 : (en) skjematisk illustrasjon av F0F1-ATPase podet på en overflate for visualisering av enveis rotasjon (gjengitt med tillatelse12). (b) Konseptmodellen av en syntetisk overflate-bundet lys-drevet molekylær motor for enkelt molekyl bildebehandling.

Figure 3
Figur 3 : Strukturen av en overflate-bundet molekylær motor 1b, bærer en rigid lang arm mellom motor kjernen og PBI etiketten. 

Figure 4
Figur 4 : Alifatisk regionen i 1 H-NMR spekter av motor 1b (CD2Cl2, 20 ° C, c = 10-3 M) (en) stabil-1b, før bestråling (365 nm). (b) Foto stasjonær tilstand blanding etter bestråling. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 5
Figur 5 : UV/vis absorpsjon spectra. UV/vis absorpsjon spektra av (en) motor 1b (lm2Cl2, 0 ° C), stabile isomer (heltrukket linje) og ustabil isomer (stiplet linje) på PSS. (b) MS-1b (kvarts, 4 ° C) før (heltrukket linje) og etter (stiplet linje) bestråling.

Discussion

Dette prosjektet innebærer en betydelig mengde syntetiske arbeid; Derfor er det viktigste trinnet Organisk syntese mot siste molekylet. Blant totalt syntese er Barton-Kellogg reaksjon viktig, siden det er reaksjonen som dannes sentrale dobbelt bånd molekylær motoren. For øyeblikket er har flere metoder blitt brukt til slike strukturer. Her diazo-thioketone-kopling brukes, og de øvre og nedre halvdelene er utarbeidet som den diazo og thioketone forbindelser, henholdsvis. Thioketone og diazo forbindelser er vanligvis ikke stabilt under luft; Derfor krever reaksjonen rask opererer under en strengt inert atmosfære.

Eksisterende metoder for å begrense molekylær motorer på overflater er hovedsakelig basert på bipodal systemer. Men ble isomerization prosesser av tidligere designet bipodal motorer hindret på grunn av intermolekylære interaksjoner. I tillegg krever noen bipodal eksempler videre aktivisering før vedlegg. Det aktuelle metoden oppnår dette i en tetrapodal måte, som gir robust vedlegg av motoren på overflater med isolert plass.

En begrensning av denne metoden er valget av fluorescerende tag. Bare fargestoffer med bestemt bølgelengde er tillatt, rotasjonen av motor utløses av 365 nm bølgelengde og dermed skal ikke overlappe hverandre. I tillegg krever syntetiske ruten i beskrevet protokollen mot mål molekylet flere trinn som tøffe forhold er nødvendig for gjennomføring av reaksjonen. I fremtiden, er en mer lettvint syntetiske design sannsynligvis nødvendig hvis et mer avansert molekyl for enkelt molekylær bildebehandling.

Avslutningsvis er design og syntese av en svært functionalized lys-drevet molekylær motor beskrevet for første gang. Noen detaljer av syntetiske arbeid er også diskutert. Videre metoder pode motoren på en kvarts lysbildet overflate er vist, og prøven kan testes videre for visualisering av én molekylær bevegelse14.

Disclosures

Forfatterne ikke avsløre.

Acknowledgments

Dette arbeidet ble støttet økonomisk av Nederland organisasjonen for vitenskapelig forskning (NWO-CW), europeiske forskningsråd (ERC, avansert grant nr. 694345 til B.L.F.), og departementet for utdanning, kultur og vitenskap (gravitasjon programmet nei. 024.001.035).

Materials

Name Company Catalog Number Comments
NMR spectrometer Varian AMX400 for proton nmr study
Reagent for organic reactions Sigma analytical grade reagent for organic reactions
Silica gel  Merck 230-400 mesh ASTM Flash chromatography 
Solvent Acros spectrophotometric grade  Flash chromatography 
UV lamp ENB 280C for UV-vis irradation
UV-vis absorption spectrophotometer JASCO V-630  UV-vis measurment

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Berg, J. M., Tynoczko, J. L., Styer, L. Biochemistry 5th ed. W.H. Freeman. New York. (2006).
  2. Erbas-Cakmak, S., Leigh, D. A., McTernan, C. T., Nussbaumer, A. L. Artificial Molecular Machines. Chemical Reviews. 115, 10081-10206 (2015).
  3. Feringa, B. L. The Art of Building Small: From Molecular Switches to Motors. Angewandte Chemie: International Edition. 56, 11059-11078 (2017).
  4. Stoddart, J. F. Molecular Machines. Accounts of Chemical Research. 34, 410-411 (2001).
  5. Kinbara, K., Aida, T. Toward Intelligent Molecular Machines: Directed Motions of Biological and Artificial Molecules and Assemblies. Chemical Reviews. 105, 1377-1400 (2005).
  6. Kay, E. R., Leigh, D. A., Zerbetto, F. Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines. Angewandte Chemie: International Edition. 46, 72-191 (2007).
  7. Kottas, G. S., Clarke, I. L., Horinek, D., Michl, J. Artificial Molecular Rotors. Chemical Reviews. 105, 1281-1376 (2005).
  8. Watson, M. A., Cockroft, S. L. Man-made Molecular Machines: Membrane Bound. Chemical Society Reviews. 45, 6118-6129 (2016).
  9. Kassem, S., et al. Artificial Molecular Motors. Chemical Society Reviews. 46, 2592-2621 (2017).
  10. Sauvage, J. P. Molecular Machines and Motors. Springer. Berlin. (2001).
  11. van Delden, R. A., et al. Unidirectional molecular motor on a gold surface. Nature. 437, 1337-1340 (2005).
  12. Noji, H., Yasuda, R., Yoshida, M., Kinosita, K. Jr Direct observation of the rotation of F1-ATPase. Nature. 386, 299-302 (1997).
  13. Hutchison, J. A., et al. A surface-bound molecule that undergoes optically biased Brownian rotation. Nature Nanotechnology. 9, 131-136 (2014).
  14. Krajnik, B., et al. Defocused Imaging of UV-Driven Surface-Bound Molecular Motors. Journal of the American Chemical Society. 139, 7156-7159 (2017).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Usage Statistics