Mô phỏng sinh học: Biến phân tử thành động cơ* potx

Mô phỏng sinh học: Biến phân
tử thành động cơ*
6. Cái kẹp và cái quạt phân tử
Mô phỏng độngcơ quay ATPase để chế tạo động cơ quay phân tử cóthể xuất
pháttừ những nguyênlý căn bản trong hóa hữu cơ như sự đồngphân
(isomerization) và biến dạng lậpthể (conformation).Dựa trêncấu trúc hìnhhọc,
nếu ta tổng hợp đượcnhóm biên (sidegroup)có thể xoay quanh trục C= C
(carbon– carbon),N = N (nitrogen –nitrogen) hay C= N (carbon –nitrogen),khi
được kích thích bởi nănglượng (quang, nhiệt ) thì ta có một độngcơ phântử đơn
giản. Nhóm biên gắn vào C (hoặc N) ở haivị trí chínhcis và trans. Khi bị kích thích,
nhóm biên xoayquanh nối C = N, liên tục chora dạngcis→trans → cis → [Hình 7]
Hình 7: Đồng phân cis và trans: khi bị kích
thích nhóm biên di động cis → trans → cis →
Hình 8: Cây kẹp phân tử với chuyể
n
động đóng/mở xung quanh trục N = N.
Chuyển động "đóng" từ trái sang phải
(trans → cis) được kích hoạt bằng tia tử
ngoại; chuyển động "mở" từ phải sang tr
á
(cis → trans) bằng nhiệt [12].
Sự kích thích của tia tử ngoại vànhiệt làm đổi dạng cis/trans của hợp chất
mang liên kếtN = N (Hình 8)cho ta một cái kẹp phân tử biết đóng mở thuận
nghịch. Cái kẹp này làmột trong những độngcơ phân tử nhân tạo đầu tiên được
ghi nhận [12] .
Nhóm nghiên cứu của giáo sư Feringa(Hà Lan)đã tổng hợpmột hợp chất
đối xứngmang hai mảnh(Hình9) [13-14]. Một mảnh sẽ được giữ cố địnhvà một
mảnhquay xung quanh trụcC = C như cánhquạt khi được kích thíchbởi sóng điện
từ vànhiệt. Như trình bày trong Hình9, sự quayxảy ra bởi mộtchukỳ có4 giai
đoạn nhờ sự kết hợp của tia tử ngoại và nhiệt.
Mặcdù một vòngquay cần hơn400 giờ để thực hiện,có thể nói đây là động

cơ quayphân tử nhân tạo đầu tiên "đời thứ nhất" theo đúngđịnh nghĩa của "động
cơ". Tuy quay rất chậm nhưngcánh quạtquay theo mộthướng nhấtđịnh
(unidirectional)theo cơ chế bánh cóc.
Hình 9: Cái quạt phân tử quay theo chiều kim đồng hồ với
nguồn năng lượng kích thích bằng tia tử ngoại và nhiệt [14].
(a)
(b)
Hình 10: Thay đổi cấu trúc phân tử để nâng
cao những đặc tính. Cấu trúc (a) quay 44 vòng/giây
và cấu trúc (b) có thể kết hợp với hạt nano vàng.
Nhóm nghiên cứu Hà Lantiếp tụctổnghợp một số hợp chấtkhác bằng cách
thayđổi nhóm biên, thaycấu trúc vòng sáu góc bằng cấu trúcnăm góc (Hình 10a)
[15], chế tạo động cơ "đời thứ hai,thứ ba". Ở cùng một điều kiện kích thích năng
lượng, cấu trúc mới có vận tốcquay tăng lên 100triệu lần với số vòng quay44
vòng/giây (hay là 44 Hz). Từ động cơ "đời thứ nhất" (năm 1999)chỉ trong vòng 5
năm, nhómnghiên cứu này đã cho ra nhữngthành quả rất tốtđẹp với khả năng
tổng hợp tuyệt vời tạo ra nhiều cấu trúc phântử đa dạng[14-15]. Cấu trúc trong
Hình 10bmang hai nhóm biên dài để kết hợp vớihạt nanovàng được dùng như cái
bệ thaotác. Từ những cảmnhận thôngthường, ta thấy ngayviệc "cài" các động cơ
phân tử vào bề mặt chấtrắn (hạt nano,bề mặt silicon, thủy tinh)là mộtphương
pháp thực tiễn cho các ứng dụng và đồngthời độngcơ có thể tận dụng được dao
độngBrown để quay theo mộthướng nhất định theo cơ chế bánhcóc.
7. Con thoi phân tử
Thí dụ trên đây chothấy các hợpchất hoá học có thể thiết kế cho ra một
độngcơ phân tử đơn giản dựa trênsự chuyển dạng cis ↔ trans và chuyển động
như một "vật sống" giốngcácphân tử sinhhọc. Tuynhiên, các nhà khoa học không
đơn thuần thỏa mãn với cơ chế này.Hoá họcsiêu phân tử đã cho phép cácnhà hóa
tổng hợp một phương tiện tạo ra nhữngphức chấtđưa động cơ phân tử đếnmức
độ tinhvi hơn.Hai cấu trúc độngcơ phân tử quan trọnglà: rotaxane vàcatenane
[16] (Hình 11). Thuật ngữ rotaxaneđược phối hợp từ hai chữ La-tinrota (bánh xe,

wheel) và axis(trục, axle); và catenanetừ chữ catena(dây xích, chain).Cái vòng
của rotaxanecóthể di chuyển tịnh tiến tới lui đến từng địa điểmtrên cây trục như
chiếc xelửa dừng ở các trạm ga. Haiđầu của cái trục được gắn bởinhóm phântử
to để chặn cái vòngkhôngbị tuột ra ngoài. Đây là chuyểnđộng con thoi. Chuyển
độngcon thoi nhanh nhất của một rotaxanecảm quangđược ghi nhận trên một
đoạn dài 1,5nm là 10 kHz (10.000lần/giây) [17].Cái vòng cũng có thể được thiết
kế để xoayquanhtrục.Catenane gồm haivòng:một vòng cố địnhvà mộtvòngxoay.
Tất cả những chuyển độngnày có thể được kích thích bởi quang, nhiệt, nănglượng
hóa, độ pH hay phản ứng oxyhóa/khử (redox).Rotaxanevà catenanelà hai động
cơ đơn vị mangnhững ưuđiểm hình họccũng như hoạt tínhhoá học. Chúng có thể
hoạt động riêng lẻ độclập hay được dùng như bộ phận lắp ráp để chế tạo những
độngcơ phân tử phức tạphơn.
Hình 11:Hình minh họa rotaxane và catenane (a): Cái vòng của rotaxane di
động tịnh tiến qua lại như con thoi; (b): Cái vòng rotaxane quay quanh tại một điểm
và (c): Hai vòng của catenane, một vòng quay, một vòng cố định.
Một thídụ củarotaxane làsiêu phân tử trong đó cái trục có hai trạm dừng
[18]. Cái vòng đi tới lui giữa haitrạm qua sự tiếp xúc với acid haybazơ trong dung
dịch (biến đổi pH)(Hình 12). Để cómột ứngdụng thực tiễn, chuyển độngcon thoi
có thể được kíchhoạt bằng quanghay nhiệt trong các rotaxanecảm quang/nhiệt.
Với cơ chế con thoi, rotaxanehành xử như là một côngtắc đóng/mở (on/off)
hay là 0/1(không/có) trongnguyên tắcđiều biếnnhị phân (binarymodulation).
Có nghĩalà, khi cáivòng dừng ở trạm thứ nhấtta có trạngthái "đóng"(hay là 0),ở
trạmthứ hai,trạng thái "mở" (hay là 1).Vì vậy, rotaxanecho nhiềutiềm năng ứng
dụnghơn là cái quạt phân tử củathí dụ bên trên[19].Để có một ứng dụng, các
độngcơ phải được "cài" hoặc"trồng" trên các bề mặt chất rắn có kích thước
micromét hay milimét. Nhữngtác động đồng thờivà đồng loạtcủa các động cơ
phân tử sẽ đưa đến hiệuquả vĩ mô, "triệu cây chụmlại nên hòn núi cao",tạo ra
những biến chuyển vĩ mô thích hợp cho từng ứng dụng. Ta hãy xemvài thí dụ sau.
Huangvà các cộng sự [20] đã cài các phân tử rotaxane lên bề mặtcủa những
ngóntay siliconmềm vàdài (kích thước 500x 100 x 1µm). Các động cơ này có thể

được "cài" theocơ chế tự lắp rápcủa siêu phân tử trên bề mặt vật liệu.Rotaxane
được thiết kế có 2 cặp trạm đối xứng (trạm 1 –trạm 2 – trạm 2 – trạm 1) và hai
vòng gắn vào bề mặt silicon (Hình 13).Khi rotaxanetiếp xúc với dungdịch oxid
hóa (oxidant), haivòng cùnglúc từ trạm 1 tiến đến trạm 2. Sự di chuyển đồngloạt
của hàng tỷ, hàng tỷ tỷ rotaxanelàm bề mặt conglên 35 nm (Hình 14).Khi tiếp xúc
với dungdịch khử (reductant),hai vòngtrở lại vị trí ban đầu và bề mặt thẳngtrở
lại. Rotaxane này có chứcnăng giốngnhư động cơ sinhhọc myosin trongsự co dãn
cơ bắp.
Hình 12:(a): Cấu trúc siêu hóa học của phân tử rotaxane và (b) (c): hình minh
họa. Chuyển động con thoi, (b) ↔ (c), được thực hiện qua sự biến đổi pH [18].
Hình 13: Siêu phân tử rotaxane với 2
cặp trạm (1-2-2-1) đối xứng và hai cái vòng
(con thoi) được liên kết với bề mặt silicon.
Hình 14:Hai cái vòng di
chuyển cùng lúc từ trạm 1 đến trạm
2 làm bề mặt cong lên 35 nm (hình
phải) và khi từ trạm 2 trở lại trạm 1
làm bề mặt thẳng lại (hình trái) [20].
Rotaxanecó thể đượcphủ lên một vậtliệu và cómột tác dụng làm biến đổi
năng lượngbề mặt củavật liệu.Nghĩa là, bằngmột kích động (quang haynhiệt)
tính thấm ướt bề mặtđược biến đổitừ thích nước(hydophilic)đến ghétnước
(hydrophobic)và ngược lại. Để thực hiện điều này, người ta đã tổng hợp cái trục
rotaxanecó hai trạm:trạm 1 mang nhóm ghét nước vàtrạm 2 mangnhóm thích
nước. Khi cái vòng dừng ở trạm 1, nhóm ghétnước bị che lại,ta có bề mặt thích
nước. Khi dừng ở trạm 2, nhóm thích nước bị che, bề mặt trở nên ghét nước. Nhóm
nghiêncứu Berná (Đại học Edinburgh,Anh)[21]đã tổng hợpmột rotaxanetheo
nguyêntắc đơn giản này và thiết kế một thí nghiệm đầy tínhthuyết phụccho thấy
sự biến chuyển nănglượng bề mặt của thủytinh được phủ bởi rotaxane. Trục của
rotaxanemang nhóm fluoroalkane (trạm 1)ghét nước (giốngnhư Teflon).Khi
chiếutia tử ngoại vào, cái vòng của hàng tỷ tỷ của siêu phântử rotaxaneđồng loạt

di chuyển đến trạm 1, che khuấtnhóm fluoroalkane làm bề mặt dưới tiatử ngoại
trở nên thích nước hơn. Trong thí nghiệm, một giọtchất lỏng được nhỏ trên bề
mặtvà một chùm tia tử ngoại chiếu lên một khoảnh bề mặt kế cận giọt chấtlỏng.
Vùngbị chiếu này trở nên thích nước,giọt chất lỏng bị hấp dẫn,sẽ dãn ravà đi về
phía trước như con giun bò trên mặt đất. Cứ như thế, giọt chất lỏngcó thể "bò"
trên mộtmặt phẳng nghiêng 12°(Hình 15)
Hình 15:Tia tử ngoại làm vùng bị chiếu trở nên thích nước. Giọt chất lỏng tự
động lan rộng đến vùng này khiến toàn thể giọt chất lỏng di động trên bề mặt và leo
dốc 12°.
Một ứngdụng tuyệt vời khác cũng dùng độngcơ rotaxane đượcthực hiện
bởi nhóm nghiên cứuStoddard. Giáo sư Stoddartlà một trongnhững người tiên
phongtrong cácnghiên cứu ứng dụng của độngcơ phân tử. Nhómnày tổnghợp
siêu phân tử "biến tấu" củarotaxanelàm ravan (valve)đóng/mở nano[22].Các
siêu phân tử tự lắp ráptrên bề mặt thể xốp silicon xungquanh những lỗ xốp nano
của silicon.Những lỗ xốp nàylà những bìnhnano chứaphân tử sẽ được phóng
thích.Các rotaxane cótác dụngnhư cáivan nano. Khi không bị kích hoạt cái vòng
của rotaxanenằmtrên trục có tác dụngđóng bình. Khi dùng ánh sáng kích hoạt,cái
vòng sẽ tuột ralàm vanmở khiến các phân tử tuôn ra ngoài bình. Vancó thể đóng
mở thuận nghịch tùy vào điều kiện kích hoạt và có thể tái dụng.Van nano nàycho
một tiềm năng ứngdụng rất hữu íchlà tải thuốc đếncác tế bào ung thư chohóa trị
liệu.Trong trường hợp nàycác phântử tronglỗ xốp là phân tử dượcliệu trị ung
thư. Đặcbiệt, van nanonày được nối kết với pinmặt trời phân tử chế tạo từ phức
chất fullerene C
60
cung cấp nănglượng để van nanohoạt động.Nhữngchi tiết thú
vị nàyđã đượctrình bày tỉ mỉ trong bài báo cáo đã dẫn [22]. Cóthể nói đâylà một
hệ thốngđiện cơ nano(nano electro-mechanical system, NEMS)rất hoàn chỉnh
mang nhữngđặc tính củahệ thống sinhhọc như tự vận hành (autonomous)và
khôngcó chất thải độc hạitrong quá trình hoạtđộng.
Những ứng dụng khácđược đề cập trong các bài báocáo gần đây củacác

siêu phân tử là tínhxúc tác (tương tự như enzyme), hoạt tínhsinhhọc, hay trong
lĩnh vực"phân tử điện tử học" (molecularelectronics)như công tắc quanghọc
(photo switch),quang điệntử (optoelectronicswitch) [23-24]. Phân tử điện tử học
là một bộ mônnghiên cứucác dụng cụ điện tử, quang điện tử nanotheo phương
pháp "từ dưới lên" mà những vật liệu trongvi mạch không còn là những chấtrắn
bán dẫn vô cơ như silicon mà sẽ là các hợpchất hữu cơ,ống than nano, fullerene
C
60
, polymer dẫn điện,phân tử sinhhọc như các loại protein, DNA, RNA. Những
thành quả nghiên cứu trong vài thập niên vừaqua được trình bày trongquyển
sách giáo khoa"Molecular Electronics" xuất bản gầnđây [25].
Siêuphân tử là hợpchất hữucơ quantrọng của phântử điện tử học. Trở lại
siêu phân tử rotaxanevới conthoi (cái vòng)dừngở các trạm khác nhau. Như đã
đề cập bêntrên, ta có sự điều biến nhị phân (đóng/mở hay 0/1) trongcấu trúc của
rotaxane(Hình 11a).Cơ chế của transistor trong các chip vitính cũnglà cơ chế
đóng/mở mà tagọi làcổng lôgic(logic gate) chế ngự những thao tác củamáy vi
tính và các dụng cụ điện tử. Sự tương tự của tác dụng cổnglôgic giữa rotaxanevà
transistor "cổ điển"cho ta thấy hình ảnh tương laicủa transistor phân tử và máy vi
tính phân tử. Đây làgiấc mơ của các nhà thiết kế vi mạch và chip vi tính.Transistor
làm từ siêu phân tử sẽ là một sản phẩm "từ đáy"của vật liệuvà sự lắpráp máyvi
tính phân tử rõ ràng là phương pháp "từ dưới lên". Máy vi tínhphân tử sẽ có một
bộ nhớ vĩ đại và năngsuất 100tỷ lần cao hơn máy vi tính hiện tại. Nếu suy luận
qua độ lớn,ta sẽ cómột máy vitínhto bằng hạt cát với năng suất 100 lần nhiều
hơnmáyvi tính màngười viết đangsử dụng[26]!
8. Xe cút kít hay xe Mercedes?
Kể từ ngày giảiNobel Hóa học (1987)được trao chocông trìnhsiêu phân tử,
nghiêncứu về động cơ nanovà dụng cụ phân tử bùng phát. Những thành quả
trong haimươi năm qua đã được viết thành sách [27–28].Một bàitổng quan đặc
sắc với tựa đề "Synthetic Molecular Motors and Mechanical Machines" (Động cơ
phân tử từ tổng hợp và máy cơ khí) dày 120trang A4 với gần 650trích dẫn đã

xuấtbản vào năm 2007 [29].Những tài liệu này cho thấy sự đa dạngcủa những
phức chất siêu phân tử vàtiềm năngứng dụng của chúng trongcông nghệ nano.
Nhưng cóthể chúngta tự hỏi "Con người thật sự cần đến động cơ phân tử,
để làm gì?”. Với kỹ thuậtgia công "từ trênxuống" đến mức micromét và thậmchí
vài trămnanomét,có phải chăng nềncông nghiệp hiện đại đã tạo ra vô số dụng cụ
hữuíchcho nhân loại, cócần phải tiếp tụcthu nhỏ với phươngpháp "từ dưới lên"?
Để có câu trả lời chính xác, có lẽ ta phải nhìn vào cơ thể củachính mìnhvà quan sát
sự hài hòa củacảnh vật quanh ta.Qua một thời gianrất dài của hàng tỷ năm, sự
tiến hóa đã điều chỉnhvà tiếp tụchoàn chỉnh các độngcơ phântử để hoàn thiện
các quá trình sinhhọc củatấtcả sinh linhtrên quả đấtnày. Tất cả đều do phương
pháp "từ dưới lên".Như vậy, từ 4tỷ năm trước, Mẹ thiên nhiên cũngđã đặt ra câu
hỏi này và cócâu trả lờirất khẳngđịnh.Hệ quả làtrong vũ trụ ít nhất có một hành
tinh xanhmang sự sống mà trên đó con người là đỉnh cao củasự thôngminh.