В химии и материаловедении молекулярная самосборка — это процесс, при котором молекулы принимают определенную компоновку без руководства или управления извне. Существует два типа самосборки : межмолекулярная и внутримолекулярная . Обычно термин «молекулярная самосборка» относится к первой, тогда как последняя чаще называется фолдингом .
Молекулярная самосборка является ключевым понятием в 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-стекинговых взаимодействий и/или электростатических), а также электромагнитных взаимодействий. Обычные примеры включают образование коллоидов , биомолекулярных конденсатов , мицелл , везикул , жидкокристаллических фаз и монослоев Ленгмюра молекулами поверхностно-активного вещества . [9] Дополнительные примеры супрамолекулярных сборок демонстрируют, что с помощью молекулярной самосборки можно получить множество различных форм и размеров. [10]
Молекулярная самосборка позволяет строить сложные молекулярные топологии . Одним из примеров являются кольца Борромео , взаимодействующие кольца, в которых удаление одного кольца разблокирует каждое из других колец. ДНК была использована для приготовления молекулярного аналога колец Борромео . [11] Совсем недавно была получена похожая структура с использованием небиологических строительных блоков. [12]
Молекулярная самосборка лежит в основе построения биологических макромолекулярных сборок и биомолекулярных конденсатов в живых организмах, и поэтому имеет решающее значение для функционирования клеток . Она проявляется в самосборке липидов для формирования мембраны , образовании двойной спирали ДНК посредством водородных связей отдельных нитей и сборке белков для формирования четвертичных структур . Молекулярная самосборка неправильно свернутых белков в нерастворимые амилоидные волокна ответственна за инфекционные нейродегенеративные заболевания, связанные с прионами . Молекулярная самосборка наномасштабных структур играет роль в росте замечательных структур β-кератиновых пластинок / щетинок / лопаточек, используемых для того, чтобы дать гекконам возможность карабкаться по стенам и прикрепляться к потолкам и выступам скал . [13] [14]
Когда несколько копий полипептида, кодируемого геном, самоорганизуются, образуя комплекс, эта белковая структура называется «мультимером». [15] Гены, кодирующие полипептиды, образующие мультимеры, по-видимому, распространены. Когда мультимер образуется из полипептидов, продуцируемых двумя различными мутантными аллелями определенного гена, смешанный мультимер может проявлять большую функциональную активность, чем несмешанные мультимеры, образованные каждым из мутантов в отдельности. В таком случае явление называется внутригенной комплементарностью . [16] Йеле указал, что при погружении в жидкость и смешивании с другими молекулами силы флуктуации заряда благоприятствуют ассоциации идентичных молекул в качестве ближайших соседей. [17]
Молекулярная самосборка является важным аспектом подходов «снизу вверх» к нанотехнологии . Используя молекулярную самосборку, конечная (желаемая) структура программируется в форме и функциональных группах молекул. Самосборка упоминается как технология производства «снизу вверх» в отличие от технологии «сверху вниз», такой как литография , где желаемая конечная структура вырезается из более крупного куска материи. В спекулятивном видении молекулярной нанотехнологии микрочипы будущего могут быть изготовлены с помощью молекулярной самосборки. Преимущество построения наноструктуры с использованием молекулярной самосборки для биологических материалов заключается в том, что они будут распадаться обратно на отдельные молекулы, которые могут быть разрушены организмом.
ДНК-нанотехнология — это область современных исследований, которая использует подход самосборки снизу вверх для нанотехнологических целей. ДНК-нанотехнология использует уникальные свойства молекулярного распознавания ДНК и других нуклеиновых кислот для создания самосборочных 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 трехмерные структуры в форме многогранников . [19] Эти структуры ДНК также использовались в качестве шаблонов при сборке других молекул, таких как золотые наночастицы [20] и белки стрептавидина . [21]
Спонтанная сборка одного слоя молекул на границах раздела обычно называется двумерной самосборкой. Одним из распространенных примеров таких сборок являются монослои Ленгмюра-Блоджетт и многослойные структуры поверхностно-активных веществ. Неповерхностно-активные молекулы также могут собираться в упорядоченные структуры. Ранние прямые доказательства того, что неповерхностно-активные молекулы могут собираться в архитектуры более высокого порядка на твердых границах раздела, появились с развитием сканирующей туннельной микроскопии и вскоре после этого. [22] В конечном итоге две стратегии стали популярными для самосборки 2D-архитектур, а именно самосборка после осаждения в сверхвысоком вакууме и отжига и самосборка на границе раздела твердое тело-жидкость. [23] Проектирование молекул и условий, приводящих к образованию высококристаллических архитектур, сегодня считается формой инженерии 2D-кристаллов в наноскопическом масштабе .
Стопы и пальцы геккона представляют собой иерархическую систему сложных структур, состоящих из пластинок, щетинок и лопаточек. Отличительные характеристики адгезионной системы геккона были описаны [как] (1) анизотропное прикрепление, (2) высокое отношение силы отрыва к предварительной нагрузке, (3) низкая сила отрыва, (4) независимость от материала, (5) самоочищение, (6) противодействие самоприлипанию и (7) нелипкое состояние по умолчанию. ... Адгезивные структуры геккона состоят из ß-кератина (модуль упругости [приблизительно] 2 ГПа). Такой жесткий материал по своей природе не является липким; однако из-за иерархической природы адгезива геккона и чрезвычайно малых дистальных особенностей (размер лопаточек [приблизительно] 200 нм) стопа геккона способна плотно прилегать к поверхности и создавать значительное притяжение с помощью
сил Ван-дер-Ваальса
.