موتورهای مولکولی 1 – تعریف و مبانی

1- مقدمه

بسیاری از واحدهای زیستی شناخته شده می‎توانند به عنوان منبع ارزشمندی از اطلاعات برای علوم نانو مورد استفاده قرار گیرند. برای مثال، ملکول‌های DNA، RNA، لیپیدها و پروتئین‎ها می‎توانند به‎عنوان ترکیبات پربازده با توانایی خودآرایی ملکولی (self-assembly) در علم نانو مورد استفاده قرار گیرند. به همین دلیل است که امروزه پژوهشگران به دنبال طراحی آن دسته از سازه‌های هیبریدی نانومقیاس هستند که با ترکیبی از واحدهای زیستی و سنتز شده ساخته می‌شوند و برای عملکردهای خاصی بهینه‎سازی می‌گردند.
موتورهای ملکولی یکی از جذاب ترین و بارزترین مثال‌ها برای توصیف ارتباط بین فناوری زیستی و علوم نانو به شمار می‌روند. «موتورهای پروتئینی»، یکی از انواع موتورهای ملکولی زیستی (bio-molecular motors) هستند که تا حد قابل توجهی بهینه‌سازی شده‌اند. این دسته از موتو‌رها، توانایی تبدیل انرژی شیمیایی به کار مکانیکی با بازده بالا را دارند. آنها علاوه بر اینکه می‌توانند به طور انفرادی کار مکانیکی انجام دهند، قادرند با قابلیت خودآرایی خود، نیروهای بزرگی را (در حد نیروهای تولید شده در ماهیچه انسان) به وجود آورند. شناخت این ‎دسته از موتورها در طبیعت می‎تواند گام مهمی برای سنتز موتورهای مولکولی مصنوعی باشد. تاکنون موتورهای مصنوعی بسیاری توسط دانشمندان سنتز شده‎اند که هر کدام از آنها، با انواع طبیعی خود قابل رقابت هستند. در این مقاله، به تعریف کلی موتورهای مولکولی، مبانی و مکانیزم‎های عملکردی ‎آنها پرداخته خواهد شد. سعی می‌شود که منشاء انرژی، نحوه تبدیل انرژی به کار، میزان نیروی تولیدی، و مقدار بازده این‎ دسته از موتورها مورد بحث و بررسی قرار گیرند.

2- تعریف موتورهای مولکولی

به‎طورکلی، «ماشین مولکولی»، از یک یا مجموعه‎ای از اجزاء مولکولی در مقیاس نانو و هم‌وزن با واحدهای مولکولی تشکیل می‌شود که برای انجام حرکات مکانیکی (خروجی) در اثر یک تحریک خارجی مناسب (ورودی) طراحی شده‎اند. این نوع موتورها از لحاظ عملکرد، بسیار شبیه موتورهای معمولی (مقیاس بزرگ) هستند. ورودی موتورهای مولکولی نیز مانند موتورهای معمولی می‎تواند انرژی شیمیایی، نور و یا موارد دیگر که باعث تحریک ‎آنها می‌شوند، باشد.
همانطورکه شناخت ما نسبت به موتورهای مولکولی موجود در طبیعت، روز به روز در حال افزایش است، توانایی استفاده از این موتورها در محیط‎های دیگر و یا سنتز موتورهای مولکولی با تقلید از انواع طبیعی آنها در حال توسعه است. تاکنون خانواده بزرگی از این نانوموتورها تولید شده‌اند که انواع آنها در مقاله دیگری با عنوان «موتورهای مولکولی: انواع» مورد بررسی قرار خواهند گرفت.

3-  مبانی

1-3- تولید نیرو و تبدیل انرژی در موتورهای مولکولی

امروزه با پیشرفت‌هایی که در زمینه فناوری زیستی و علوم نانو به دست آمده است، اطلاعات بسیار زیادی در مورد نحوه عملکرد موتورهای مولکولی موجود در طبیعت و موتورهای مولکولی مصنوعی وجود دارد. این موتورها برای حرکت خطی و دورانی خود نیاز به یک انرژی اولیه دارند. این انرژی به انرژی مکانیکی تبدیل  و صرف انجام کار می‌شود. به طور کلی، موتورهای مولکولی، انرژی مورد نیاز خود را از یک منبع می‌گیرند و با استفاده از آن، ساختار فضایی خود را تغییر می‌دهند. تغییر در آرایش ساختاری (conformation) موجب حرکت ملکول نسبت به یک زمینه و یا حرکت بخشی از موتور نسبت به بخش دیگر آن می‎شود. انرژی مورد نیاز بسته به نوع موتور مولکولی می‎تواند از جنس شیمیایی، نور و یا تغییر در شرایط محیطی مانند دما و pH محیط باشد. در واقع، موتورهای پروتئینی دارای ساختار فضایی مشخص با قواعد معینی هستند که تغییر در دما یا اسیدیته محیط یا تحریک خارجی، موجب تغییر این قواعد و آرایش فضایی در بخشی از موتور مولکولی می‎شود. نتیجه این فعل و انفعالات، به وجود آمدن یک «حرکت مکانیکی» است.
از جمله موتورهای مولکولی موجود در طبیعت که دارای حرکت خطی بوده و از انرژی شیمیایی به عنوان منبع انرژی استفاده می‌کنند، می‎توان به موتور میوزین (MYOSIN) اشاره کرد. این موتور مانند سایر موتورهای پروتئینی طبیعی، بر پایه ATP (Adenosine triphosphate) عمل می‎کنند. ATP نوعی آنزیم است که در انتقال انرژی بین سلول‌ها نقش تعیین‌کننده‌ای ایفا می‌کند. موتورهای مولکولی میوزین، انرژی شیمیایی خود را از هیدرولیز ATP و تبدیل آن به ADP (Adenosine diphosphate) و فسفات به دست می‎آورند. معادله زیر واکنش مربوطه را نشان می‌دهد:

(رابطه 1)            

البته محصولات این واکنش، دوباره قابلیت ترکیب و تولید ATP را دارند. لذا این موتورها هیچ‎گونه محصول بی‎مصرف (مواد زائد) ندارند و همین عامل موجب افزایش کارایی آنها می‌شود. از طرف دیگر، برخلاف موتورهای گرمایی، موتورهای مولکولی طبیعی، در طول عملکرد خود، گرمایی آزاد نمی‎کنند و واکنش‎های انجام شده، از نوع گرماگیر هستند. شکل 3 چرخه کارکرد موتور میوزین را نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود، این چرخه شامل مراحل پیچیده‎ای از انجام واکنش رابطه 1، تغییرات ساختار فضایی ملکول‌ها، و برهم‌کنش آنها با زمینه (در اینجا، فیلامنت‌های اکتینی (actin filaments) ‎است. نکته قابل توجه در مورد این دسته از موتورها این است که انرژی شیمیایی به وجود آمده در طی فعل و انفعالات موتور با زمینه، تبدیل به انرژی مکانیکی مورد نیاز برای حرکت موتور می‎شود. این دسته از موتورهای طبیعی در مقاله دیگری با عنوان «موتورهای مولکولی: انواع» به تفصیل مورد بحث و بررسی قرار خواهد گرفت.

برخلاف موتورهای مولکولی طبیعی، «موتورهای مولکولی مصنوعی» برای استفاده از انرژی شیمیایی جهت حرکت خود، نیاز به سوخت دارند. تامین سوخت و مصرف آن توسط موتور منجر‎ به تولید و انباشتگی مواد زاید (waste materials) و ایجاد آسیب در بدن یا هر محیط دیگری می‌شود. به عبارتی دیگر، این موتورها هنوز به درجه‎ای از کارایی نرسیده‎اند که بتوانند از محصولات واکنش خود دوباره سوخت تولید کرده و مصرف کنند. لذا دانشمندان تمایل به توسعه موتورهایی دارند که از منابع دیگر انرژی (غیر از انرژی شیمیایی)، برای انجام کار مکانیکی استفاده می‌کنند. انرژی نوری، یکی از این منابع است. امروزه اکثر موتورهای مصنوعی از این نوع انرژی استفاده می‎کنند. برای مثال، موتور‌های ملکولی روتاکسان (rotaxane) در اثر تحریک توسط امواج نوری، کار مکانیکی انجام می‌دهند.

2-3- مقیاس نیرو

یکی از پارامترهای مهم در موتورهای مولکولی، مقدار نیرویی ‎است که توسط آنها تولید می‎شود. به طور کلی، رابطه‎ی زیر توسط ماردن و آلن (Marden and Allen) برای موتورهای مولکولی با حرکت خطی پیشنهاد شده است:

(رابطه 2)                  

در این رابطه، m جرم موتور ملکولی برحسب کیلوگرم، M جرم اتمی ملکول بکار رفته (Da)، و F نیروی تولید شده بر حسب نیوتن یا فمتو نیوتن است. این رابطه بیشتر برای موتورهای طبیعی (زیستی) ارائه شده است، اما موتورهای مصنوعی (سنتز شده) از نظر تئوری می‎توانند نیرویی تا اندازه 30 پیکو نیوتن تولید کنند؛ چیزی که برای موتورهای ملکولی روتاکسان گزارش شده است. نکته حائز اهمیت اینکه معمولاً توان این موتورها بعد از چند چرخه کاهش می‌یابد و نیروی تولیدی توسط آنها به شدت افت می‌کند.
رابطه بین نیروی تولیدی و وزن موتورهای مولکولی و غیرمولکولی (موتورهای بزرگ‌مقیاس) در شکل 4 آورده شده است. همانطور که مشاهده می‌شود، موتوری که بخواهد نیروی 0/3 پیکو نیوتن را تولید کند، وزنی حدود 4000 واحد جرم اتمی (4KDa) خواهد داشت.

نکته‎ای که در شکل 4 باید مورد توجه قرار گیرد، تفاوت «خط توپر مربوط به موتورهای طبیعی و مصنوعی» با «خط نقطه چین مربوط به نیروی قابل تحمل پلیمر PET» است. در یک جرم ثابت، نیروی قابل تحمل پلیمر PET حدود 500 برابر (5 برابر در مقیاس لگاریتمی) بیشتر از نیروی تولیدی موتورهای مولکولی با همان جرم است. این تفاوت 500 برابری در ضریب نیرو- جرم نشان می‌دهد که باید مواردی مانند خستگی یا خزش را با وارد کردن یک ضریب اطمینان، در مورد موتورهای ملکلولی در نظر گرفت. به عبارت دیگر، نیرویی که توسط موتورها قابل تحمل است باید کمتر در نظر گرفته شود. از طرف دیگر، نیروی وارد بر موتورها معمولاً توسط کل موتور تحمل نمی‌شود، بلکه تنها توسط بخش‌های خاص آن مهار می‌گردد. آگاهی از مقدار نیرویی که یک موتور می‎تواند بدون صدمه زدن به خود به وجود آورد، برای درک عملکرد سیستم‎های مختلف در طبیعت مانند بدن انسان و نیز برای طراحی موتورهای مولکولی مختلف ضروری به نظر می‎رسد.

3-3- بازده موتورهای مولکولی

یکی از مهم‎ترین پارامترها برای ارزیابی عملکرد موتورهای ملکولی، بازده آنها در تبدیل انرژی شیمیایی یا الکتریکی به انرژی مکانیکی ‎است. اکثر موتورهای گرمایی موجود، کمتر از 60 درصد بازده دارند. در اکثر موارد، با کوچک‎تر شدن اندازه موتورها، بازده آنها به دلیل افزایش هدر رفت انرژی، کاهش می‎یابد. این در حالی است که بازده موتورهای مولکولی علی‌رغم ابعاد هندسی بسیار کوچک، نسبتاً بالا است (البته در نوع طبیعی و نه مصنوعی). بازده این‎گونه موتورها می‎تواند به 100 درصد نیز برسد. به عنوان مثال، بازده موتور اف1-آی‎تی‎پی سنتاز (F1-ATPase) بازده 100 درصدی دارد. از این نظر، موتورهای مولکولی بسیار کارآمد و جذاب به نظر می‎رسند. این کارآمدی زمانی افزایش می‌یابد که بازده انرژی هر موتور منفرد، حداقل برابر با بازده میانگین تمام موتورهایی باشد که در یک مجموعه خودآرا قرار گرفته‎اند.
بالاترین بازده موتور مولکولی زمانی به دست می‎آید که چرخه‎های شیمیایی و مکانیکی آن به خوبی طراحی شده باشند. آنچه در مورد این موتورها حائز اهمیت است، بازده آنها در بیشینه نیرو است و نه بیشینه بازده در نیروی کمتر. مطالعات نشان می‌دهند که «مکانیزم آزاد سازی ناگهانی انرژی» (power stroke) که در آن انرژی ورودی به یک باره به کار مکانیکی تبدیل می‎شود، باعث افزایش بازده در بیشینه نیروی تولیدی می‎شود. سوخت مصرفی برای حالات انتقالی مختلف موتور مولکولی نمایش داده شده است. منظور از حالات انتقالی، حالاتی است که موتور با گذراندن آنها انرژی دریافتی را به کار مکانیکی تبدیل می‎کند. هرچه حالت‎های انتقالی موتور برای تبدیل انرژی به کار مکانیکی کمتر باشد، بازده در بیشینه نیروی تولیدی افزایش می‎یابد (شکل 5). در مکانیزم «آزادسازی ناگهانی انرژی» هیچ حالت انتقالی وجود ندارد و انرژی ورودی به یک باره به کار مکانیکی تبدیل می‎شود. لذا موتور مولکولی بیشترین بازده را در بیشینه نیروی تولیدی خواهد داشت.

اگرچه موتورهای مولکولی طبیعی تا حد زیادی از «مکانیزم آزادسازی ناگهانی انرژی» پیروی می‎کنند، اما اکثر موتورهای مولکولی سنتز شده، تابع این مکانیزم نیستند. انحراف از این مکانیزم منجر به کاهش بازده موتورهای ملکولی می‎شود. به عنوان مثال، موتورهای ملکولی مبتنی بر DNA، بر مبنای «حرکت نفوذی» (diffusive motion) کار می‌کنند. این مکانیزم، دقیقاً نقطه مقابل مکانیزم آزادسازی ناگهانی انرژی است. در مکانیزم حرکت نفوذی، حالت‎های انتقالی مختلف وجود دارد که موتور با پیمودن این انتقال‎ها، انرژی ورودی را به کار مکانیکی تبدیل می‎کند. این حالت‎های انتقالی موجود باعث کاهش بازده موتور مولکولی می‎شود.
لازم به ذکر است که اگر نتوان بازده موتور مولکولی را در حد بازده کل سیستم (شامل آرایه‌ای از موتورها)  نگه داشت، بازده موتورهای مولکولی منفرد دیگر مهم نخواهد بود. در این شرایط، هدف اصلی طراحی‌ها، بهینه سازی بازده نهایی سیستم خواهد بود. به عنوان مثال، آرایه‌های منظمی از موتورهای ملکولی را در نظر بگیرید که بافت ماهیچه را تشکیل می‌دهند. ماهیچه معمولاً از 10²⁰ موتور مولکولی با بازده میانگین 20 تا 40 درصد تشکیل می‌شود. این بازده میانگین، تقریباً با بازده موتورهای منفرد تشکیل دهنده آن برابر است.

نتیجه‌­گیری

در مقاله حاضر، به معرفی مبانی کلی موتورهای مولکولی پرداخته شد. گفته شد که این موتورها توانایی انجام کار و حرکت (دورانی و خطی) در مقیاس نانو را دارند. آنها برای حرکت، نیاز به انرژی ورودی دارندکه می‎توان آن را از طریق یک واکنش شیمیایی، تحریک با نور و یا تحریک با تغییرات محیطی مانند تغییر دما یا اسیدیته محیط تامین کرد. موتورهای مولکولی با دریافت انرژی و تغییر ساختار فضایی خود، کار مکانیکی (انتقالی، دورانی و غیره) انجام می‎دهند. اگرچه نیروی ایجاد شده توسط یک موتور ملکولی منفرد از توان پیکو و فمتو نیوتن است، اما با کنار هم قرار گرفتن آنها و تشکیل ساختارهای خودآرا (مانند بافت ماهیچه انسان)، نیروهای بسیار بزرگتری تولید می‌شوند. در یک آرایه منظم از موتورهای ملکولی، بازده هر کدام از موتورهای منفرد، تقریباً با بازده میانگین کل آرایه برابر است. درحالت کلی، بازده موتورهای مولکولی طبیعی نسبت به گونه‌های سنتز شده، بسیار بالا است.