מכונות מולקולאריות נפוצות מאוד בטבע, לדוגמא – חלבוני הובלה הנכנסים ויוצאים מהתאים וחלבונים המסייעים לחילוף-החומרים. בכדי לפתח מכונות מולקולאריות מלאכותיות, על המדענים להבין כהלכה את העקרונות השולטים בחוקי התנועה הקיימים בעולם המולקולארי/הננומטרי הזה.
על-מנת להתמודד עם אתגר זה, צוות מחקר מאוניברסיטת קליפורניה (Riverside) בדק משפחה של מכונות מולקולאריות “הצועדות” ע”ג משטח מתכת חלק. הם בדקו הן מכונות דו-רגליות והן מכונות ארבע-רגליות.
“יצרנו מבנה דמוי-סוס בעל ארבע רגליים על-מנת לחקור כיצד מסוגלות מכונות מולקולאריות להתמודד עם התנועה של מספר חלקים,” אמר Ludwig Bartels, פרופסור לכימיה. “לפני מספר שנים גילינו כיצד ניתן להעביר בקו-ישר פרודות של פחמן דו-חמצני לאורך משטח באמצעות מכונה מולקולארית בעלת שתי רגליים הנעות אחת אחרי השנייה. במחקר החדש שלנו, רצינו להכין מבנה המסוגל לשאת מטען רב יותר – כלומר, כזה שיידרש ליותר רגליים. אולם, אם למבנה תהיינה יותר משתי רגליים, כיצד הוא יארגן את התנועה שלהן?”
החוקרים גילו כי התרכובות הארבע-רגליות משתמשות בצורת הליכה של פסיעה – שתי הרגליים מאותו הצד של הפרודה נעות יחדיו, ולאחר-מכן שתי הרגליים מהצד הנגדי של הפרודה. המבנים שהם פיתחו נעים כהלכה בקו ישר, ואינם סוטים הצידה או נופלים מהמסלול. החוקרים ביצעו גם הדמיה של מבנים הנעים בצורת טפיפה, שבה נעות יחדיו שתי הרגליים הנמצאות באלכסון מנוגד יחדיו, ומצאו כי צורת תנועה זו בעיתית מדי מכדי להיות יציבה.
לאחר שהחוקרים הבינו כיצד הפרודות נעות, הם נפנו לשאלה בסיסית נוספת לגביי מכונות מולקולאריות: האם פרודה – או חלק ממנה – פשוט עוברים דרך מחסומים שמקורם בחספוס המשטח עליו הן נעות?
“אם אכן כך יהיה, זו תהיה סטייה מהותית מחוקי התנועה בעולם המקרוסקופי והדבר יוביל להאצה גדולה של התנועה,” אמר החוקר. “זה יהיה כמו נסיעה ע”ג כביש גדוש מהמורות כאשר הגלגלים של רכבך עוברים דרך המהמורות במקום מאשר לעבור מעליהן. ידוע כי מכונות ארבע-רגליות מאפשרות התנהגות שכזו עבור חלקיקים קלים מאוד כגון אלקטרונים ואטומי מימן, אולם – נשאלת השאלה האם הדבר יתממש גם בפרודות גדולות?”
החוקרים שינו את הטמפרטורה בניסויים שלהם בכדי לספק למכונות המולקולאריות כמויות משתנות של אנרגיה ובדקו כיצד מהירות המכונות משתנה כתלות בכך. הם גילו כי מכונה דו-רגלית מסוגלת לנצל את תופעת ה”מנהור” (tunneling) בכדי לחלוף במהירות דרך מהמורות המשטח. אולם, מכונה בעלת ארבע רגליים (או יותר מכך) לא מסוגלת לנצל את שיטת המנהור; החוקרים גילו כי למרות שמכונה שכזו כן מסוגלת לארגן את תנועת הרגליים שלה בצורת פסיעה, היא לא מסוגלת לנוע תוך ניצול שיטת המנהור. כלומר, אם אתה מעוניין להעביר מטען, אפילו בקנה-המידה הקטן ביותר, אתה צריך מבנה דו-רגלי קל-משקל וזריז,” מציין החוקר. “מבנים נעים גדולים יותר יכולים לשאת מטען רב יותר, אולם מאחר והם אינם מסוגלים לנצל ביעילות את תופעת המנהור, התוצאה תהיה תנועה איטית שלהם. האם ממצא זה אמור לרפות את ידי החוקרים? לא ממש, מאחר ותחום המכונות המולקולאריות עדיין בתחילת דרכו. לאמתו של דבר, קיים יתרון גם בתנועתן האיטית דווקא של פרודות, מאחר ובמצב זה מתאפשר לנו להבחין ביתר פרוט בתנועה עצמה וללמוד מהפרטים כיצד לשלוט בה.”
ממצאי המחקר פורסמו בכתב-העת המדעי Journal of the American Chemical Society.
בשלב הבא, החוקרים מתכננים לפתח מכונות מולקולאריות שתנועתן נשלטת באמצעות אור. כיום, נעשים מחקרים קדחתניים בתחום המכונות המולקולאריות בזכות תפקודן הביולוגי ובשל חשיבותן הרפואית/טיפולית. לדוגמא, אנשים הלוקים בצרבת מטופלים בעזרת תרופות לעיכוב משאבת-מימן, אשר מאטות את פעולת השאיבה של מכונות מולקולאריות ביולוגיות ובכך מפחיתות את רמות החומציות בקיבה.
“באופן כללי, התמונה המצטיירת בעיני רוחם של מדענים לגביי מכונות מולקולאריות ביולוגיות שכאלו מתעלמת לחלוטין מאפשרות המנהור,” אמר החוקר הראשי. “המחקר שלנו מתקן את התפיסה הזו, דבר שאולי עשוי להוביל לדרכים חדשניות לשליטה או לתיקון התנהלותן של מכונות מולקולאריות ביולוגיות.”
מכונות מולקולאריות מלאכותיות חשובות לתעשיית המיקרואלקטרוניקה בשל חתירתה לרכיבים פעילים זעירים יותר ויותר עבור מחשבים ועבור אחסון מידע. באופן עקרוני, מכונות מולקולאריות מלאכותיות תוכלנה לפעול גם בתוככי תאים כתחליף למקבילותיהן הביולוגיות ותתרומנה משמעותית לרפואה.
המדענים השתמשו במגוון פרודות במחקרם: כרכיבים דו-רגליים – אנתרקינון (anthraquinone) ופנטאקינון (pentaquinone); כרכיבים ארבע-רגליים – pentacenetetrone ו- pentacenetetrone ובשיטות ספקטרוסקופיות מתקדמות.
