Существует две принципиально разные философии проектирования молекулярных механизмов. Один из них заключается в уменьшении классических механических элементов из макроскопического мира, подход, пропагандируемый во многих дрекслеровских разработках для наномашин, а также вдохновение за "нанокартами", "молекулярными поршнями", "молекулярными лифтами", "молекулярными тачками" и другими техномиметическими молекулами, созданными для имитации на уровне 1 макрообъекта. Преимуществом такого подхода является то, что инженерные концепции таких машин и механизмов хорошо понимаются с точки зрения их макроскопических аналогов. Недостатком является то, что многие механические принципы, на которых основаны сложные макроскопические машины, не подходят для молекулярного мира.
Альтернативная философия заключается в том, чтобы попытаться разгадать механизмы работы уже устоявшейся нанотехнологии, биологии и применить эти концепции к конструированию синтетических молекулярных машин.
Потенциальный плюс такого биомиметического подхода заключается в том, что такие конструкции хорошо подходят для функциональных машин, работающих в наномасштабах, даже если природа ограничена использованием всего 20 различных строительных блоков (аминокислот), температуры и давления окружающей среды, а также воды в качестве рабочей среды.
Однако основной вопрос в реализации этой второй стратегии заключается в том, что единственное "учебное пособие", которому нужно следовать, неясно: биологические машины настолько сложны, что зачастую бывает трудно определить абсолютные причины динамики отдельных частей машин.
Как и почему каждый остаток пептида перемещается таким образом, чтобы кинезин двигался по микротрубке; какие конформационные, водородные связи и изменения растворения необходимы для обеспечения переноса; и какие происходят только в результате других внутренне необходимых внутримолекулярных перестановок? Применение фундаментальных принципов, выведенных из практики малой физики и биомашин, является подходом, который ученные применяли в строительстве молекулярных машин за последние два десятилетия.
Молекулярная робототехника
С помощью наномашины транспортировка субстрата контролируется путем внесения последовательных конформационных и конфигурационных изменений во встроенный поворотный переключатель гидразоны, который управляет манипулятором робота. При перемещении субстрата через изменение положения кронштейна, соединение субстрата с плечом кинетически блокируется, и соединение субстрата с платформой становится подвижным.
Когда подложка освобождается рукой, соединение подложки с платформой кинетически фиксируется на месте. Управляя порядком выполнения каждой простой функции машины, можно запрограммировать молекулярную машину для селективной транспортировки субстрата слева направо или справа налево в одноточечной последовательности реакций. С химической точки зрения, это селективный синтез конституционных изомеров посредством внутримолекулярных перестроек, которые могут быть спровоцированы на движение в любом направлении, чего трудно или невозможно достичь каким-либо иным образом.
Подобно тому, как биологические молекулярные машины позиционируют субстраты для прямой химической реакции, можно адаптировать этот тип машины для получения различных результатов из серии молекулярных роботов-опосредованных химических реакций. Молекулярная машина перемещает субстрат между различными участками активации для получения различных результатов химического синтеза. Молекулярный робот может быть запрограммирован на стереоселективное производство, в последовательной одноточечной реакции, избытка любого из четырех возможных диастереоизомеров от добавления тиола и алкена в α,β-ненасыщенный альдегид в процессе тандемной реакции. Стереодивергентный синтез включает в себя доступ к диастереоизомерам, которые не могут быть селективно синтезированы с помощью обычного иминиево-эмалинового органокатализа.
Перспектива
Молекулы, напоминающие по внешнему виду знакомые нам из нашего повседневного мира машины, обладают соблазнительной привлекательностью, но многочисленные механические механизмы, работающие в макроскопическом масштабе, физически невозможны на молекулярном уровне (маятники, подпружиненные люки, поршни, коленвалы, двигатель внутреннего сгорания, наклонные плоскости, клинья и т.д.).
Другие детали машины в некоторых отношениях уменьшаются, а в других - нет. Например, вращение ароматических лопастей ароматических колец из перекрещенных триптицидных остатков можно соединить так же, как и сцепленные механические зубчатые колеса; роторы выглядят и ведут себя в этом отношении как зубчатые колеса.
Однако механические шестерни предназначены для перемещения с одинаковой угловой скоростью в макроскопических компаундах, и это никогда не может быть так же для роторов внутри молекулярных машин. Такие вопросы усложняют экстраполяцию понятий механических машин на молекулярный уровень. Действительно, многие из современного поколения техномиметических молекулярных машин являются знаковыми моделями машин, то есть они выглядят так же, как и оригинальные объекты, но функционируют не так. Лишь немногие, если таковые вообще имеются, техномиметические молекулярные машины являются аналоговыми моделями, похожими как по поведению, так и по форме на материнскую машину.
Альтернативой является разработка наномашин, которые работают в широком смысле так же, как и биология. Как и в классическом машиностроении, путь к усложнению устройств заключается в интеграции действий нескольких простых машинных процессов для генерирования расширенных функций, которые не могут быть достигнуты действием отдельных частей станка.
Учитывая, что большинство сложных механических механизмов не может быть масштабировано до среды, в которой работают молекулярные машины, техномиметическим разработкам может быть сложно создавать наномашины, которые являются значительно более совершенными с точки зрения механизмов, чем простейшие системы, созданные на сегодняшний день.
Однако вся биология основана на молекулярных машинах, которые используют (и, как представляется, требуют) нетривиальные механизмы для выполнения сложных и полезных задач, которые они выполняют. Благодаря принятию основных принципов работы таких машин, био-инструменты могут позволить создавать молекулярные машины, которые представляют собой нечто большее, чем просто переключатели, со сложными механизмами, основанными на интеграции нескольких более простых рабочих частей.