Jak zkrotit náhodný pohyb uvnitř molekuly? Vědci to umí světlem

Molekuly nejsou nikdy v klidu. Vlivem tepelné energie se neustále pohybují v prostoru a navíc se jejich části otáčejí jedna vůči druhé. Vědci z Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR (ÚOCHB) nyní ukázali, že náhodný pohyb uvnitř molekuly jde výrazně utlumit. Pomocí světla mohou zpomalit vzájemnou rotaci dvou různých částí jedné molekuly až o pět řádů, což představuje důležitý krok při konstrukci molekulárních strojů.

Jednotlivé části molekul se vlivem tepelné energie neustále chvějí, natáčejí a mění svou polohu – tento jev se označuje jako Brownův pohyb. Při konstrukci molekulárních strojů tak vědci na rozdíl od „běžných strojařů“ pracují se součástkami, které se neustále pohybují.  Aby z nich mohli sestavit fungující mechanismus, musí umět jejich pohyb regulovat. Právě to se podařilo týmu Jiřího Kalety z ÚOCHB. 

Vědci vytvořili molekulární systém, do něhož zabudovali dvě klíčové části: světlem ovládaný molekulární motor a rotor, který se vlivem tepelného pohybu náhodně otáčí kolem své osy. „Když na molekulu posvítíme, motor změní své prostorové uspořádání, a tím ovlivní pohyb rotoru. V uspořádání ‚odbrzděno‘ se rotor může otáčet snadno, v režimu ‚zabrzděno‘ mu motor začne prostorově překážet a výrazně zvýší energetickou bariéru, kterou musí rotor při otočení překonat,“ vysvětluje základní princip první autor studie Lukáš Severa.

Po pohlcení světelné energie se v molekule přeskupí elektrony, čímž se dočasně oslabí jedna z chemických vazeb. Molekulární motor díky tomu může změnit svůj tvar a vytvořit prostorovou překážku, která zpomaluje otáčení rotoru. Tato změna je vratná, takže motor může mezi oběma uspořádáními opakovaně přecházet.

Princip si lze představit jako ručičku volně uchycenou na ose, kterou neustále rozhýbávají drobné otřesy. Pokud jí nic nestojí v cestě, může se snadno otáčet. Když se ale do její dráhy dostane překážka, otáčení se výrazně zpomalí. V molekule tuto překážku vytváří pohyblivá část molekulárního motoru. 

Zpomalení až 300 000krát 

Rozdíl mezi oběma režimy je výrazný. „U dřívějších podobných systémů se dařilo rychlost rotace měnit maximálně stonásobně. Díky našemu principu jsme se posunuli ke zpomalení zhruba 300 000×, což představuje velký průlom,“ vysvětluje Jiří Kaleta. 

Rozdíl mezi oběma polohami se s klesající teplotou ještě dramaticky zvětšuje. Pokud by se při velmi nízké teplotě nezabrzděný rotor otočil jednou za sekundu, zabrzděnému by za stejných podmínek trvala jediná otáčka přibližně 350 miliard let – asi pětadvacetkrát déle, než je současný věk vesmíru.

Schopnost regulovat pohyb jednotlivých částí molekul je důležitá pro konstrukci složitějších molekulárních strojů. „Pokud chcete vytvořit složitější mechanismus, nestačí mít motor. Potřebujete také prvky, které dokážou pohyb jednotlivých součástí regulovat a vzájemně koordinovat. My ukazujeme jeden z principů, jak toho na molekulární úrovni dosáhnout,“ uzavírá Jiří Kaleta.

Původní článek: Severa, L., Bezděková, K., Majerová Varga, K., Bastien, G., Stroka, M., Císařová, I., Dračínský, M., & Kaleta, J. (2026). Light-Gated Control of Brownian Rotation by a Molecular Motor. Angewandte Chemie International Edition, e7061287. https://doi.org/10.1002/anie.7061287

Jiří Kaleta je organický chemik a vedoucí vědecké skupiny Molekulární stroje na Ústavu organické chemie a biochemie AV ČR. Vystudoval organickou chemii na Masarykově univerzitě v Brně, kde získal také doktorát. Během své vědecké kariéry působil opakovaně na University of Colorado Boulder v USA. Ve svém výzkumu se zaměřuje na návrh, syntézu a studium molekulárních strojů, zejména motorů, rotorů a přepínačů, jejichž pohyb lze ovládat vnějšími podněty, například světlem. Jeho tým zkoumá možnosti uspořádání těchto miniaturních zařízení do složitějších funkčních systémů, které by v budoucnu mohly najít uplatnění například při vývoji inteligentních materiálů.

Ústav organické chemie a biochemie AV ČR / ÚOCHB (www.uochb.cz) je přední mezinárodně uznávaná vědecká instituce, jejímž hlavním posláním je základní výzkum v oblasti chemické biologie a medicinální chemie, organické a materiálové chemie, chemie přírodních látek, biochemie a molekulární biologie, fyzikální chemie, teoretické chemie a analytické chemie. Nedílnou součástí poslání ÚOCHB je přenos výsledků základního výzkumu do praxe. Důraz na mezioborové zaměření výzkumu ústí do řady aplikací v medicíně, farmacii a dalších odvětvích.

Kontakt:

Tereza Mašínová
tisková mluvčí ÚOCHB
tereza.masinova@uochb.cas.cz

Přečtěte si také

• Hledali dávné klima, našli současnost. Co lze vyčíst z tenké vrstvy vápence
• Pohled do industriální Ostravy 60. let: výstava Viktora Koláře Obležené město
• Na La Palmě dokončili nejcitlivější teleskopy svého druhu
• Moč a krev mohou pomoci odhalit život ohrožující mykotickou infekci
• Většina lidí invazní druhy nezná a jejich regulaci příliš nepodporuje
• Akademické půlhodinky: Otravy psů na Lipně, domácí násilí i umění v krajině
• Evropský sluneční dalekohled získal status ESFRI Landmark
• Program Týdne Akademie věd ČR je zveřejněný. Nabídne více než 300 akcí po ČR
• Genetické mapy ukazují, odkud mají pocházet semena pro obnovu českých luk
• Na kolik partnerů spoléhají rostliny a opylovači? Rozhoduje především klima