В химии и материаловедении молекулярная самосборка — это процесс, при котором молекулы принимают определенное расположение без руководства или управления со стороны внешнего источника. Различают два типа самосборки : межмолекулярная и внутримолекулярная . Обычно термин «молекулярная самосборка» относится к первому, а второй чаще называют сворачиванием .
Молекулярная самосборка — ключевое понятие супрамолекулярной химии . [6] [7] [8] Это связано с тем, что сборка молекул в таких системах осуществляется посредством нековалентных взаимодействий (например, водородных связей , координации металлов, гидрофобных сил , сил Ван-дер-Ваальса , пи-стекинг-взаимодействий и/или электростатические), а также электромагнитные взаимодействия. Общие примеры включают образование коллоидов , биомолекулярных конденсатов , мицелл , везикул , жидкокристаллических фаз и ленгмюровских монослоев молекулами поверхностно-активных веществ. [9] Дальнейшие примеры супрамолекулярных ансамблей демонстрируют, что с помощью молекулярной самосборки можно получить множество различных форм и размеров. [10]
Молекулярная самосборка позволяет создавать сложные молекулярные топологии . Одним из примеров являются кольца Борромео , блокирующиеся кольца, в которых удаление одного кольца разблокирует каждое из других колец. ДНК была использована для получения молекулярного аналога колец Борромео . [11] Совсем недавно подобная структура была создана с использованием небиологических строительных блоков. [12]
Молекулярная самосборка лежит в основе построения биологических макромолекулярных ансамблей и биомолекулярных конденсатов в живых организмах и поэтому имеет решающее значение для функционирования клеток . Он проявляется в самосборке липидов с образованием мембраны , образовании двойной спирали ДНК посредством водородных связей отдельных нитей и сборке белков с образованием четвертичных структур . Молекулярная самосборка неправильно свернутых белков в нерастворимые амилоидные волокна ответственна за инфекционные нейродегенеративные заболевания, связанные с прионами . Молекулярная самосборка наноразмерных структур играет роль в росте замечательных структур β-кератина в виде пластинок / щетинок / лопаточек , используемых для придания гекконам способности взбираться по стенам и прикрепляться к потолкам и выступам скал . [13] [14]
Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, самособираются с образованием комплекса, такая белковая структура называется «мультимером». [15] Гены, которые кодируют полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, широко распространены. Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя разными мутантными аллелями конкретного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов по отдельности. В таком случае это явление называется внутригенной комплементацией . [16] Йеле указывал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда способствуют ассоциации идентичных молекул в качестве ближайших соседей. [17]
Молекулярная самосборка является важным аспектом восходящих подходов к нанотехнологиям . Используя молекулярную самосборку, конечная (желаемая) структура программируется в форме и функциональных группах молекул. Самосборка называется технологией производства «снизу вверх» в отличие от техники «сверху вниз», такой как литография , где желаемая конечная структура вырезается из более крупного куска материала. В спекулятивном видении молекулярной нанотехнологии микрочипы будущего могут создаваться путем молекулярной самосборки. Преимущество создания наноструктур биологических материалов с использованием молекулярной самосборки заключается в том, что они будут распадаться обратно на отдельные молекулы, которые могут расщепляться организмом.
ДНК-нанотехнология — это область текущих исследований, в которой для достижения нанотехнологических целей используется восходящий подход самосборки. Нанотехнология ДНК использует уникальные свойства молекулярного распознавания ДНК и других нуклеиновых кислот для создания самособирающихся разветвленных комплексов ДНК с полезными свойствами. [18] Таким образом, ДНК используется как структурный материал, а не как носитель биологической информации, для создания таких структур, как сложные 2D и 3D решетки (как на основе плиток, так и с использованием метода « ДНК-оригами ») и трехмерных структур. конструкции в форме многогранников . [19] Эти структуры ДНК также использовались в качестве матриц при сборке других молекул, таких как наночастицы золота [20] и белки стрептавидина . [21]
Спонтанную сборку одного слоя молекул на границах раздела обычно называют двумерной самосборкой. Одним из распространенных примеров таких ансамблей являются монослои Ленгмюра-Блоджетт и мультислои ПАВ. Неповерхностно-активные молекулы также могут собираться в упорядоченные структуры. Первые прямые доказательства того, что не поверхностно-активные молекулы могут собираться в структуры более высокого порядка на границах раздела твердых тел, появились с развитием сканирующей туннельной микроскопии и вскоре после этого. [22] В конце концов, две стратегии стали популярными для самостоятельной сборки 2D-архитектур, а именно самосборка после осаждения и отжига в сверхвысоком вакууме и самосборка на границе твердого тела и жидкости. [23] Проектирование молекул и условий, приводящих к образованию высококристаллических архитектур, сегодня считается формой 2D- кристаллической инженерии на наноскопическом уровне .
Стопы и пальцы геккона представляют собой иерархическую систему сложных структур, состоящую из пластинок, щетинок и лопаточек. Отличительные характеристики системы адгезии геккона были описаны [как] (1) анизотропное прикрепление, (2) высокая сила отрыва. к соотношению предварительной нагрузки, (3) низкая сила отрыва, (4) независимость от материала, (5) самоочищение, (6) защита от самоприлипания и (7) нелипкое состояние по умолчанию. ... Клеевые структуры геккона созданы из β-кератина (модуль упругости [около] 2 ГПа).Такой жесткий материал не является липким по своей сути, однако из-за иерархической природы клея геккона и чрезвычайно маленьких дистальных особенностей (размер шпателя составляет [около] 200 нм) ), стопа геккона способна плотно прилегать к поверхности и создавать значительное притяжение, используя
силы Ван-дер-Ваальса
.