Molecular-Machines@UNISA

What would be the utility of such machines? Who knows? I cannot see exactly what would happen, but I can hardly doubt that when we have some control of the arrangement of things on a molecular scale we will get an enormously greater range of possible properties that substances can have, and of the different things we can do (Richard P. Feynman, 1959).

Il premio Nobel per la Chimica 2016 è stato assegnato a Sir J. Fraser Stoddart, Jean-Pierre Sauvage e Bernard L. Feringa per i loro studi sulle macchine molecolari. Si tratta di sistemi costituiti da molecole che opportunamente progettate sono in grado di rispondere a stimoli esterni compiendo movimenti controllati e reversibili. Questi dispositivi nanometrici possono per esempio rispondere all'irradiazione ad opportune lunghezze d'onda o al cambiamento di pH, per compiere lavoro oppure per registrare informazioni (per esempio bits digitali) a livello molecolare. Le macchine molecolari, sono generalmente costituite da molecole interbloccate, come i catenani, formati da due specie cicliche concatenate (interpenetrate), oppure i rotassani formati da una molecola lineare infilata in un'altra ciclica. Tra le molecole interpenetrate non esiste alcun legame covalente, ma interazioni chimiche secondarie, che essendo deboli consentono alle specie in gioco di muoversi liberamente. Così nel caso dei catenani un ciclo può ruotare rispetto all'altro, oppure nel caso dei rotassani il ciclo può traslare lungo la molecola lineare come se fosse una vera e propria navetta molecolare (molecular shuttle). Se le molecole sono opportunamente progettate, allora questi movimenti possono essere controllati e reversibili; ecco quindi che in presenza di luce di opportuna lunghezza d'onda, il ciclo può fermarsi in prossimità di un gruppo chimico presente lungo la molecola lineare e, "spenta la luce" esso può ritornare al punto di partenza. Grazie ad un opportuno design i movimenti possono essere unidirezionali e quindi si possono verificare rotazioni dei cicli nei catenani in senso orario oppure antiorario. L'evoluzione rispetto a questi prototipi si è avuta grazie al contributo del prof. Bernard L. Feringa, che è riuscito a progettare e "costruire" una "four-wheel-drive molecular car" (Nature 2011, 479, 208–211), si tratta di una molecola che grazie all'eccitazione indotta da una tip STM si muove unidirezionalmente lungo una superficie metallica seguendo la traiettoria indotta dalla tip.

Attualmente le macchine molecolari stanno trovando importanti applicazioni nel campo delle nanotecnologie, come memorie elettroniche, come sensori e come vettori per il rilascio mirato di farmaci oltre che nella catalisi enantioselettiva. Molte altre possibili applicazioni sono legate alla mimica dei sistemi biologici in riferimento al protein trafficking and machinery, ma (usando un famoso aforisma di R. Feynman) there’s plenty of room at the bottom.

Allo studio di questo importante ambito di ricerca contribuisce il Dipartimento di Chimica e Biologia "A. Zambelli" dell’Ateneo salernitano diretto dal prof. Placido Neri. In particolare il Laboratorio di Chimica Supramolecolare si occupa di macchine molecolari basate su rotassani e catenani che utilizzano delle molecole cicliche denominate calixareni. In questi sistemi, la molecola ciclica presenta una particolare forma a calice che le conferisce direzionalità, e grazie a questa peculiarità strutturale i movimenti indotti soprattutto da stimoli chimici, come il cambiamento di pH, presentano una direzione ben precisa e controllabile. Le ricerche svolte in questi anni hanno portato alla pubblicazione di numerosi articoli su riviste ad alto impact factor e capitoli in libri multi-autore. Nel 2015 Sir Fraser Stoddart ha tenuto una plenary lecture al convegno Calix-2015 organizzato con il sostegno del Dipartimento di Chimica e Biologia e dell’Università degli Studi di Salerno.