Umprogrammierung Molekularer Motoren erlaubt präzise Kontrolle durch Licht und Lösungsmittel

Kontrollierte Bewegungen auf Nanoebene sind die Grundlage für eine Vielzahl von biologischen Prozessen, wie die Synthese von ATP – dem universalen Energieträger in unseren Zellen oder Zellverformungen, welche schlussendlich zur Kontraktion unserer Muskeln notwendig sind. All diese Prozesse werden durch biologische molekulare Maschinen ermöglicht, die chemische Energie in kontrollierte Bewegungen umwandeln und schließlich Arbeit auf kleinster Ebene verrichten können.

Um diese komplexen Funktionsweisen mithilfe synthetischer Nanomaschinen nachahmen zu können, ist es entscheidend Kontrolle über molekulare Bewegungen und insbesondere deren Bewegungsrichtung zu erlangen. Molekulare Motoren sind winzige Antriebseinheiten, die eine zentrale Rolle für derartige Nanotechnologie spielen. Von besonderem Interesse sind dabei molekulare Motoren basierend auf Hemithioindigo, da diese mit sichtbarem Licht angetrieben werden können – ein umweltfreundlicher, leicht dosierbarer und nicht-invasiver Energieträger, der ihnen einen entscheidenden Vorteil für zukünftige Anwendungen verleiht. Üblicherweise arbeiten molekulare Motoren durch unidirektionale Rotation um bestimmte chemische Bindungen, wobei die Rotationsrichtung durch sterische Effekte diktiert wird.

Die Forschungsgruppe von Prof. Dr. Henry Dube, Lehrstuhl für Organische Chemie I, entwickelte kürzlich eine innovative Methode, um die Bewegungsrichtung sowie die generelle Funktionsweise eines Hemithioindigo Motors auf neue Weise zu steuern. Durch die Umprogrammierung eines klassischen lichtgetriebenen molekularen Motors gelang es, eine unidirektionale Drehung um eine virtuelle Achse in entgegengesetzter Richtung zu realisieren. Dies wurde erreicht, indem der Motor durch Integration in ein makrozyklisches System eingeschränkt wurde, wodurch seine ursprüngliche Drehbewegung umgekehrt und in eine gerichtete Rotation einer größeren molekularen Kette verwandelt wurde.

Ein weiterer bemerkenswerter Aspekt dieser Arbeit ist die Entdeckung, dass sich die Funktion dieser molekularen Maschine durch einfache Änderungen der Lösungsmittelpolarität umschalten lässt – zwischen einem direktionalen Motor und einem nicht direktionalen Photoschalter. Diese neue Steuerungsmöglichkeit, die auf die Umgebungsbedingungen reagiert, eröffnet eine völlig neue Ebene der Kontrolle und Anpassungsfähigkeit für zukünftige Nanotechnologien.

Diese Forschung markiert einen bedeutenden Schritt in der Entwicklung intelligenter Nanomaschinen, die in der Lage sind, ihre Bewegungen und Funktionen präzise an ihre Umgebung anzupassen. Die Ergebnisse könnten zukünftig weitreichende Anwendungen in der Medizin, Materialwissenschaft und Nanotechnologie ermöglichen.

Publikation:

Directionality Reversal and Shift of Rotational Axis in a Hemithioindigo Macrocyclic Molecular Motor, Lilli Reißenweber, Edgar Uhl, Frank Hampel, Peter Mayer, and Henry Dube*, J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 23387 – 23397, https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c06377.

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