University of Groningen
Molecular motors: new designs and applications
Roke, Gerrit Dirk
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date: 2018
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Roke, G. D. (2018). Molecular motors: new designs and applications. Rijksuniversiteit Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
Chapter 8
130
Chapter 8
8.1
English summary
For chemists, it has been a long outstanding quest to control movement on the molecular scale. This might seem rather trivial at first, but considering the size of molecules (one billionth of a meter, hundred thousand times smaller than the diameter of a hair), this is certainly not an easy task. On top of that, molecules are moving around randomly at high speeds, constantly bumping into each other, creating a chaos. Therefore, controlling movement on the molecular scale has sometimes been compared to trying to walking in a hurricane. However, with the development of molecular machines, chemist are now able to do just that. A range of tiny machines that are able to do various tasks on the molecular scale has been developed, but the focus in this thesis is molecular motors: molecules which are able to rotate when irradiated with light. Their structure consist of a lower half (stator) and an upper half (rotor) which are connected through a central axle. When these motors are irradiated, the upper half rotates with respect to the lower half around this central axle, exclusively in one direction. One full rotation proceeds in four distinct steps, all of which can be followed using various techniques.
Over the years, the exact mechanism of rotation of these motors and the factors influencing their properties (such as the rotational speed, light absorption and efficiency) have been investigated. They have been incorporated in various materials to dynamically change the properties of so-called ‘smart materials’. For example, molecular motors have been incorporated in gels that are able to shrink, surfaces that change their wettability and even a small muscle-like fiber. However, if we want to find real-life applications for molecular motors, there are some challenges that remain. Some of these challenges are addressed in this thesis.
For example, molecular motors are often powered by high energy UV light, which can be damaging for many materials, but also for cells when considering biomedical applications. It is therefore important to develop motors that are able to perform rotational motion with visible light, which is much milder. In chapters 2 and 3, new motors are designed which can be powered with visible light. Moreover, changing the speed of rotation of a molecular motor can be quite tedious, as it often requires making a whole new motor in the lab. In chapter 4, a switch is attached to a molecular motor that can be switched between two states with light. When irradiating this switch, the rotary function of the motor can be easily switched on and off.
In the final chapters in this thesis, new areas are explored to apply molecular motors. Chapter 5 describes the formation of hollow spheres (or cages) formed by four molecular motors. The structures of these motors change upon irradiation with light and as a result the structure of the cage changes. Controlling the shape and size of cages with light is a very promising strategy to for example release drugs loaded inside the cavity of these spheres. In chapter 6, molecular motors are incorporated into polymers, which are long chains in which the same unit is repeated many times. The aim is to change the structure
131 of the polymer by shining light on them, potentially changing its properties. In this way, movement on the molecular scale can be translated to the macro scale by making all the motors in the chain work together. Unfortunately, the rotary function of the motors appeared to inhibited when incorporated in the polymers.
8.2
Nederlandse samenvatting
Al jarenlang proberen chemici beweging op de moleculaire schaal te controleren. Op het eerste oog lijkt dit misschien niet zo moeilijk, maar als je de grootte van moleculen in ogenschouw neemt (één miljardste van een meter, tienduizend keer zo klein als de diameter van een haar) dan is dit geen gemakkelijke opgave. Daarnaast bewegen moleculen willekeurig en op hoge snelheid en botsen voortdurend op elkaar. Sommigen vergelijken daarom het controleren van beweging op moleculaire schaal wel eens met proberen te lopen in een orkaan. Met de komst van moleculaire machines is het chemici toch gelukt om precies dit te doen. Verschillende moleculaire machines zijn ontwikkeld, maar de focus in dit proefschrift is moleculaire motoren. Dit zijn moleculen die kunnen roteren wanneer ze met licht bestraald worden. Ze bestaan uit een onderkant (stator) en een bovenkant (rotor) die verbonden wordt door een centrale as. Wanneer deze met licht bestraald worden, draait de bovenkant ten opzichte van de onderkant om deze centrale as in één richting.
Door de jaren heen zijn het rotatiemechanisme van deze moleculaire motoren en de factoren die hun eigenschappen beïnvloeden, zoals rotatie frequentie, licht absorptie en efficiëntie, nauwkeurig bestudeerd. De motoren zijn in verschillende materialen verwerkt om zo de eigenschappen van deze zogenaamde ‘slimme materialen’ te kunnen beïnvloeden. Zo zijn motoren bijvoorbeeld gebruikt in gels die krimpen, oppervlaktes die hun bevochtigbaarheid kunnen veranderen en zelfs vezels die als kleine spiertjes fungeren. Voordat we moleculaire motoren kunnen gebruiken in toepassingen die we in ons dagelijks leven gebruiken, zijn er nog wat uitdagingen die overwonnen moeten worden.
De meeste motor worden bijvoorbeeld aangedreven met UV licht, wat schadelijk is voor veel materialen, maar ook voor cellen als we over biomedische toepassingen nadenken. Het is daarom essentieel dat mot oren worden ontwikkeld die met zichtbaar licht kunnen worden aangedreven, wat lang niet zo schadelijk is. In hoofdstukken 2 en 3 zijn nieuwe motoren ontworpen en gemaakt die aangedreven kunnen worden met zichtbaar licht. Daarnaast kan het soms lastig zijn om de snelheid van rotatie van een motor aan te passen. Vaak is het nodig om een nieuwe motor te maken in het lab. In hoofdstuk 4 is er een schakelaar aan een motor gezet die kan worden geschakeld met licht. Wanneer deze schakelaar bestraald wordt met licht kan de rotatie functie van de motor uit en aan worden gezet. Op deze manier kan de rotatie van de motor gecontroleerd worden.
132
Chapter 8
In de laatste hoofdstukken worden nieuwe velden onderzocht waar moleculaire motoren toegepast kunnen worden. Bijvoorbeeld, in hoofdstuk 5 worden vier motoren gebruikt om holle structuren (kooien) te maken. Door deze structuren met licht te bestralen verandert de structuur van de motoren en daardoor de kooi. Het controleren van de structuur van kooien is een interessante strategie om bijvoorbeeld medicijnen die in de holle structuren zit los te laten op de plek van bestemming. In het laatste hoofdstuk worden motoren verwerkt in polymeren, lange ketens waarin dezelfde structuur zich steeds herhaalt. Het doel is om de structuur van de polymeer te veranderen door het te bestralen. Op deze manier kan de beweging op de moleculaire schaal van alle motoren in een keten gebundeld worden om zo de eigenschappen van de polymeer te veranderen op de macro schaal. Helaas leek de rotatie van de motoren grotendeels verhinderd te zijn wanneer ze in de polymeren verwerkt waren.
