Nel mondo macroscopico, le macchine utilizzano i moti coordinati di parti meccaniche per svolgere una funzione. Analogamente, nel mondo dell’infinitamente piccolo, le macchine molecolari eseguono movimenti controllati di componenti nanometrici grazie all’energia fornita da una reazione chimica. Negli organismi viventi queste nanomacchine, costituite da molecole di proteine, si sono evolute fino a raggiungere una complessità molto elevata e vengono impiegate per svolgere funzioni cruciali per la vita.
Com’è fatta una nanomacchina?
Gli ingranaggi sono componenti fondamentali delle macchine macroscopiche e servono a trasformare e trasmettere il movimento creato da un motore. Progettare e costruire un dispositivo simile fatto da molecole e capace di operare su scala nanometrica è un’impresa molto ardua. Un passo in questa direzione è rappresentato da una molecola sviluppata di recente nel nostro laboratorio e che abbiamo soprannominato NanoGear. In questo sistema, due moti di tipo differente che riguardano diverse subunità della molecola avvengono contestualmente e si influenzano a vicenda.
Come si muove una macchina molecolare?
La principale sfida progettuale è stata la scelta dei due movimenti da studiare. Essi devono essere distinti fra loro, ben osservabili e caratterizzati da velocità né troppo alte né troppo basse. Inoltre, poiché in un ingranaggio i moti sono correlati (cioè sincronizzati), essi devono avvenire a velocità quanto più possibile simili.
NanoGear appartiene alla categoria dei rotassani, ottenuti incastrando un anello attorno a un asse molecolare che, per la presenza di gruppi terminali ingombranti (stopper), non può sfilarsi. I due componenti sono tenuti insieme solo dal vincolo meccanico e hanno quindi una notevole libertà di movimento l’uno rispetto all’altro. In particolare, l’anello può spostarsi da un’estremità all’altra dell’asse con un moto traslazionale. La novità di NanoGear consiste nell’aggiunta di un moto rotatorio di un gruppo di atomi (rotore) legati all’asse da un legame chimico attorno al quale possono ruotare in modo analogo a una banderuola.
Inserendo il rotore al centro dell’asse del rotassano, la traslazione dell’anello e la rotazione del rotore devono coesistere e non sono più indipendenti fra loro. Il moto dell’anello è rallentato in presenza del rotore, in quanto per spostarsi da un lato all’altro dell’asse deve attendere che il rotore sia allineato con quest’ultimo. Accurate misurazioni di risonanza magnetica nucleare hanno dimostrato che a 65 °C l’ingranaggio compie una traslazione ogni 37 rotazioni. Poiché NanoGear non è collegato ad alcun motore, i suoi movimenti sono casuali e sono azionati dall’energia termica; in pratica, è un dispositivo che funziona “in folle”. Inoltre NanoGear non è un ingranaggio perfetto perché i due moti non sono perfettamente sincronizzati.
Un primo passo verso il futuro
Questo risultato, tuttavia, è estremamente rilevante dal punto di vista scientifico in quanto dimostra che è possibile progettare e realizzare molecole caratterizzate da moti differenti che, pur essendo indipendentemente osservabili, avvengono insieme e si influenzano reciprocamente. NanoGear rappresenta un punto di partenza per lo sviluppo di nanomacchine artificiali che forse, in futuro, ci consentiranno di ottenere materiali e farmaci intelligenti.
