1. Molecular-Level Machines
What are the possibilities of small but movable machines? [...]
Lubrication might not be necessary. Bearings could run dry;
they wouldn’t run hot because heat escapes from such a small
device very, very rapidly. [...]
An internal combustion engine of that size is impossible. Other
chemical reactions, liberating energy when cold, can be used
instead. [...]
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 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 Feynman

2. Dispositivi e macchine (macroscopici)
oggetto inventato e costruito per uno scopo
dispositivo
particolare
un apparato per l’utilizzo di una forza
macchina
meccanica, fatto di diverse parti ognuna
con una funzione definita
motore una macchina che fornisce forza motrice
(per un veicolo o un altro dispositivo con
parti in movimento)
Un dispositivo molecolare è un insieme ordinato di componenti molecolari
(struttura sopramolecolare) capace di svolgere una funzione (complessa) che è il
risultato della cooperazione di semplici “atti” compiuti da ogni componente
Una macchina molecolare è un tipo particolare di dispositivo molecolare che
produce un moto meccanico, cioè, i cui componenti possono essere messi in
moto in seguito ad uno stimolo esterno

3. Congegno macroscopico
componenti congegno
macroscopici macroscopico
Congegno molecolare
sistema
componenti
molecolari supramolecolare
atti semplici funzione complessa

4. progettazione
e sintesi
autoassemblaggio, sintesi
componenti
molecolari
sistema
proprietà
supramolecolare
(chimiche,
fotochimiche,
redox, …)
FUNZIONE

5. Macchine molecolari artificiali : pinze molecolari
Pinze macroscopiche
Pinze molecolari
(controllate per via
fotochimica)

6. Azobenzeni
molecola
polimero

7. Azobenzeni
Pinza ottica
Cavità di dimensioni variabili

8. Macchine e motori molecolari
Le macchine molecolari, come i loro corrispettivi macroscopici, sono
caratterizzati da:
(1) Il tipo di energia fornito per farli lavorare
(2) il tipo di movimento eseguito dai loro componenti
(3) Il modo in cui la loro operazione può essere controllata e monitorata
(4) la possibilità di ripetere l’operazione a piacere (processo ciclico)
(5) la scala temporale necessaria per completare un ciclo di operazione
(6) la funzione eseguita

9. Motori molecolari naturali

10. La “fabbrica” dell’ATP, un motore molecolare rotante
10 nm
β
α α
γ
β β 3
α
F1
Bassa concentrazione
di ioni idrogeno
H+ H+
H+ γ
2
H+
+
F0 H C
+
H + H H+
+
H
H+
H + H+
H+ + H+ +
H H H+
+
H +
H+ H+
H 1
Alta concentrazione
H+ H+
di ioni idrogeno
H+ H+
T. Elston, H. Wang, G. Oster, Nature, 1998, 391, 510.

11. Un nanocongegno artificiale
azionato da un motore molecolare naturale
Ni rod (~1 μm)
ATP
γ
ADP + P i
β β
α
Histidine tag
Ni post
C.D. Montemagno et al., Science, 2000, 290, 1555; Nature Materials, 2002, 1, 173.

12. Molecular Tweezers basati su effetti allosterici
Effetto allosterico : modifica dalla capacità di legame (o di un’altra proprietà) di un sito
in una molecola o specie sopramolecolare derivata da un riarrangiamento
conformazionale indotto dal legame con un altro sito remoto; l’effetto allosterico può
essere positivo o negativo
Schema del funzionamento dell’enzima aspartato transcarbamilasi (ATCasi). Le
sottounità catalitiche e regolatorie sono mostrate rispettivamente in bianco e grigio. (a) Il
sito attivo è disponibile; (b) la citidina trifosfato (CTP), uno dei prodotti finali della catena
enzimatica, si lega a un dominio regolatorio, chiudendo il sito attivo.

13. sarcomero (~3 μm)
filamento di miosina
filamento di actina
forma espansa forma contratta

14. Teste della miosina
filamenti interdigitati di miosina (“spessi”)
e di actina (“sottili”) nei sarcomeri

15. Base molecolare della contrazione
Durante la contrazione ogni testa si estende e
si lega fortemente al sottile filamento formando
dei ponti
Quando tocca il filamento, la testa della miosina
si piega immediatamente verso il centro del
sarcomero (power stroke)
Quindi il filamento sottile si muove di 5-15 nm
lungo il filamento spesso
Diversamente dagli altri motori, la miosina
rimane in contatto con il suo cargo solo ~ 5%
del tempo
Il movimento sembra continuo (2 nm/ms)
perché ogni filamento viene in contatto con
circa 100 teste di miosina

16. (1) Energia fornita
Energia chimica
• usata nei motori molecolari naturali per produrre lavoro
meccanico (idrolisi dell’ATP)
• moltissime reazioni chimiche disponibili
• è necessario fornire “combustibile” e rimuovere i “prodotti di
scarto”
Energia elettrica
• processi redox
- Facilità di controllo (switching on/off rapido e facile)
- Facilità di implementazione (elettrodi)
- Gli elettroni, oltre a fornire energia, possono anche essere
usati per “leggere” lo stato del sistema (e.g. voltammetria)
- Necessità di “collegare” il sistema
• campi elettrici

17. Energia luminosa
• usata nei dispositivi molecolari naturali per scopi di conversione dell’energia
(produzione di combustibili, e.g. ATP)
- Processi di electron-transfer fotoindotti
• l’uso della luce ha molti vantaggi
- switching on/off rapido e facile
- Possibilità di lavorare in spazi molto piccoli (fino a livello di singola molecola,
anche se esiste il limite di diffrazione) e su scale temporali brevi
- Non si ha la necessità di “toccare” o “collegare” il sistema
- I fotoni, oltre a fornire energia, possono anche essere usati per “leggere” lo
stato del sistema (e.g. spettroscopia)
(2) Tipo di movimento
• Cambiamenti della struttura molecolare (e.g. sistemi allosterici)
• Assemblaggio/disassemblaggio (e.g. di sistemi host/guest)
• Trasporto (e.g. di ioni metallici)
• Movimenti lineari (e.g. un anello lungo un filo)
• Contrazione/estensione (muscoli artificiali)
• Moti rotatori (e.g. di sottounità attorno a un legame covalente)
• …….

18. (3) Controllo e monitoraggio
• A livello di “insieme” (e.g. in soluzione)
• A livello di singola molecola
• Per permettere il controllo e il monitoraggio dell’operazione di una macchina
molecolare, i cambiamenti di posizione dei componenti mobili devono provocare
cambiamenti leggibili delle proprietà del sistema. A questo scopo, si può usare
qualsiasi tipo di tecnica chimica o fisica.
- Tecniche spettroscopiche (NMR, EPR, Assorbimento UV-vis-IR, Luminescenza)
- Metodi elettrochimici (voltammetria, …)
- Scanning probe microscopies (STM, STS, …)
(4) Reset (ciclicità del processo)
Dato che le macchine e i motori lavorano in modo ciclico, tutte le reazioni chimiche
legate ai movimenti eseguiti dai componenti devono essere reversibili.
La reversibilità è soddisfatta ragionevolmente bene da diverse reazioni, e.g.
- Reazioni di trasferimento di protoni
- Reazioni di trasferimento di elettroni
- Processi di fotoisomerizzaione
- Reazioni di coordinazione metallo-ligando

19. Pseudorotaxani, catenani e rotaxani: macchine molecolari
artificiali
pseudorotassano
rotassano
catenano

20. Rotassani e catenani
O Si
O O O
O O O O O
N+
+N
N+
+N
+N N+
+N N+
Si O O O O O O O O O
Catenano
Rotassano

21. Sintesi di rotassani e catenani
rotassano
2x
autoassem-
blaggio
+ pseudorotassano
catenano
Interazioni O O
O
elettron O
O
+
donatore/
N
accettore
N
+ O
O
O
O O
+ Legami a O
O
O
O
N
idrogeno
H2
O
O O
O

22. Rotassani e catenani: prototipi di macchine
molecolari artificiali
ruota
“wheel
andasse
e axle”
“shuttling”
shuttling
rotazione
mutual
ring rotation
relativa
(“ball and
degli anelli
socket joint”)
molecolari
giunto
“universal
cardanico
joint”

23. Un “meccano” molecolare
π-elettron donatori
π-elettron
accettori
componenti per
legami a idrogeno
fotosensibilizzatori

24. Moti lineari in un rotassano: una “navetta” molecolare
Stimolo
Stimolo
Energia
Energia
Posizione Posizione

25. “Navetta” molecolare azionata chimicamente
_ H+
OO +
H N
O N2 O
O+O
N
+ H+
OO +
stazione stazione
ammonio bipiridinio
Architettura supramolecolare “a tre rami”
OO
O
H2 +
N
O
O
O
OO OO
O O
+
O O
OO
OO
O
+ NH2
+NH2
O
O
O
OO

26. N
OO
O
autoassem-
O
+N O
blaggio
O
OO OO
O O
+
+NH2
O O
OO
OO
O
O
+ +
O
N N
H2 O
OO
OO
O piattaforma
H2N +
N
O
O H2N +
OO O
O
N N+
O O
+ NH2
O O
O O
+N O
O O
O H2N + O
telaio O O
O
N+
N
+
+N
N
+
N
+

27. Un prototipo di “ascensore” molecolare
azionato chimicamente in soluzione
+
+ +
+
+
+
J.D. Badjić, V. Balzani, A. Credi, S. Silvi, J.F. Stoddart, Science, 2004, 303, 1845

28. Un prototipo di “ascensore” molecolare
azionato chimicamente in soluzione
+
+ +
+
+
+
J.D. Badjić, V. Balzani, A. Credi, S. Silvi, J.F. Stoddart, Science, 2004, 303, 1845

29. Modello dell’ ”ascensore” molecolare
3.5 nm
2.5 nm

30. Ripetizione del moto dell’ “ascensore” con cicli acido-base
CH3CN, RT, C = 5 μM
Aggiunta di base (t-BuP1)
1.35
Assorbanza a 310 nm
Aggiunta di acido (CF3COOH)
1.25
A (310 nm)
1.05
Numero di cicli

31. Alcune considerazioni energetiche
3.5 nm
– 3H+
2.5
nm
+ 3H+
Spostamento della piattaforma: ~0.7 nm
Energia liberata:
~22 kcal/mol = 1.5 x 10–19 J/molecola
moto su→giù (agg. base):
>4 kcal/mol = 2.8 x 10–20 J/molecola
moto giù→su (agg. acid):
Forza massima che può essere
potenzialmente sviluppata (su→giù): 200 pN (miosina V, 3 pN)

32. Quale futuro per l’ “ascensore” molecolare?
• fissare ed azionare l’ “ascensore” su una superficie
• far funzionare il congegno a livello di molecola singola
– 3H+
+
+
+
+ +
+
+
+ + 3H+ +
+
+
+

33. Quale futuro per l’ “ascensore” molecolare?
• controllo della capacità di catturare/rilasciare altre molecole
azione di “dita”
apertura/chiusura
molecolari
di una cavità nanometrica
+ +
+ +
+ +
+ +
+ molecola
+ ospite
+ +

34. Un nanomotore autonomo azionato dalla luce visibile
hν

35. Fotosensibiliz- Spaziatore Elettron Elettron
Stopper
zatore e stopper rigido accettore A2 accettore A1
O
O
O
+
N + O
+
N O
N +
N N O
N O
O
N
RuII O
N
N O
Macrociclo
N O
elettron donatore
Componente
filiforme
Macrociclo
“East side”
“West side”
Chem. Eur. J. 2000, 6, 3558

36. Meccanismo
e-
hν
1
di funzionamento
2 R
A2 A1 T
P S
3
R
_
P+ A1
A2 T
S
e- 4
R
_
P+ A2 A1 T
S
e-
5
6
R
A2 A1
P T
S

37. Un nanomotore molecolare “a quattro tempi”
e-
hν
1 2 R
A2 A1 T
P S
3
R
_
P+ A1
A2 T
S
e- 4
R
_
P+ A2 A1 T
S
e-
5
6
R
A2 A1
P T
S

38. Rotazione di macrocicli in catenani
rotazione degenere

39. Rotazione controllata di macrocicli in catenani
Rotazione di un macrociclo asimmetrico
rispetto a quella di uno simmetrico in un
[2]catenano, controllato da uno stimolo
esterno

41. Rotazione unidirezionale di macrocicli in catenani

42. Muscoli artificiali
Cu(II) stato pentacoordinato
Cu(I) stato tetracoordinato

44. forma espansa forma contratta
Stato contratto (PPR8+) e stato esteso (PPR12+) del prototipo di muscolo
molecolare.

45. Modificazione della molecola (introduzione di ponti disolfuri
terminali) per permetterne l’ancoraggio a un substrato (oro)

46. Attuatore chemomeccanico

47. Interruttori molecolari:
catenani
[A0] rappresenta sia la struttura dello stato
fondamentale del [2]catenano sia lo stato
“aperto” del dispositivo. Quando il
[2]catenano viene ossidato (applicando
una tensione di -2 V), i gruppi TTF (verde)
vengono ionizzati e sono soggetti a una
repulsione Coulombiana da parte del
ciclofano tetracationico (blu), provocando
la rotazione dell’anello e la formazione del
coconformero [B1]. Quando la tensione
viene riportata circa a zero, si forma il
conformero [B0], che rappresenta
l’interruttore “chiuso”.