معلومة

هل تمضغ الأبقار بطريقة تفضيلية؟

هل تمضغ الأبقار بطريقة تفضيلية؟


We are searching data for your request:

Forums and discussions:
Manuals and reference books:
Data from registers:
Wait the end of the search in all databases.
Upon completion, a link will appear to access the found materials.

واحدة من الأساطير الدائمة في الفيزياء الجزيئية ، عند الحديث عن chirality كما تتعلق بوجود المتغيرات والاختلافات بينها ، هو أن الطريقة التي تمضغ بها الأبقار هي أيضًا مراوان ، أي صعودًا وهبوطًا وما حوله. تتحد حركات الطائرة بطريقة يمكنك من خلالها تمييز بقرة تمضغ من صورتها المرآة. هذا مذكور في على سبيل المثال ويكيبيديا ، من بين مصادر أخرى.

طرح سؤال حديث في موقع الفيزياء سؤالاً عن مصدر هذه الحقيقة ، والذي تبين أنه كذلك

حركات الفك السفلي للماشية أثناء المضغ. جوردان و R. de L. Kronig. طبيعة سجية 120, 809 (1927),

وهذا مصدر غير مرض إلى حد ما: فقد أبلغوا عن دراسة استقصائية وجدت أن 55٪ من الأبقار تمضغ بطريقة "دائرية على اليمين" و 45٪ تمضغ بشكل دائري يسارًا ، لكنهم يتنصلون بعد ذلك من أي دلالة إحصائية في النتيجة :

ومع ذلك ، كان عدد المشاهدات نادرًا ما يكفي للتأكد مما إذا كان الانحراف [في نسبة النوعين] عن الوحدة حقيقيًا.

نظرًا لأن هذا ليس سؤالًا فيزيائيًا ، فقد ظننت أنني سأقوم بنقله إلى علماء السلوك في الثدييات هناك: هل كانت هناك دراسات أخرى حول الطريقة التي تمضغ بها الأبقار؟ أتخيل أنهم موجودون هناك ، لكنني لم أتمكن من العثور عليهم.


تتناول هذه الدراسة اتجاه مضغ الأبقار. يقسم المضغ إلى ثلاث مراحل ، حركة الفك الأولى والمرحلة الوسطى والأخيرة. يكتشف أن الأول يكون دائمًا في الاتجاه المعاكس للاتجاه الأوسط ، وأن الأبقار الوسطى عادة ما تكون في نفس الاتجاه وأن الأبقار التي تبدو رائعة تغير اتجاه المضغ من فترة حركة الفك الأوسط إلى أخرى.


هل تمضغ الأبقار بطريقة تفضيلية؟ - مادة الاحياء

بروتين البريون (PrP) هو بروتين سكري على سطح الخلية ملزم لـ Cu 2+ يمكن أن يخطئ في تشكيل-sheet الغني بالتسبب في أمراض البريون. ركزت غالبية دراسات الارتباط بالنحاس على منطقة الثماني في PrP. ومع ذلك ، باستخدام مجموعة من التقنيات الطيفية ، نظهر أن النحاس يرتبط بشكل تفضيلي بمنطقة غير منظمة من PrP بين البقايا 90 و 115 ، خارج مجال octarepeat. تشير مقارنة PrP المؤتلف مع PrP- (91-115) إلى أن جزء البريون هذا هو نموذج جيد لربط Cu 2+ بالبروتين كامل الطول. على عكس التقارير السابقة ، نظهر أن Cu 2+ يرتبط بهذه المنطقة من PrP بثابت تفكك نانومولار. يشير التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي و EPR إلى تنسيق Cu 2 + على شكل مربع أو هرمي مربع باستخدام بقايا الهيستيدين. تُظهر الدراسات التي أجريت مع نظائرها في PrP أن الموقع ذو التقارب العالي يتطلب كلاً من His 96 و His 111 بروابط Cu 2+ ، بدلاً من مجمع يركز على His 96 كما تم اقتراحه سابقًا. تشير دراسات ازدواج اللون الدائري لدينا إلى فقدان البنية غير المنتظمة في تنسيق النحاس مع زيادة تشكل الصفائح. لقد ثبت أن هذه المنطقة غير المهيكلة ، بين المخلفات 90 و 120 ، ضرورية لتكاثر البريون وقد تم ربط سلالات مختلفة من مرض البريون بربط النحاس. يجب الآن إعادة تقييم دور Cu 2+ في سوء تشكيل البريون والمرض في ضوء هذه النتائج.

تم دعم هذا العمل جزئيًا من خلال منح مشروع الكيمياء الحيوية والعلوم الفيزيائية الحيوية (BBSRC) ومنحة معدات صندوق الأبحاث المركزي بجامعة لندن. تم تحمل تكاليف نشر هذا المقال جزئيًا عن طريق دفع رسوم الصفحة. لذلك يجب وضع علامة على هذه المقالة بموجب هذا "الإعلانات"وفقًا لـ 18 U.S.C. القسم 1734 فقط للإشارة إلى هذه الحقيقة.

تحتوي النسخة الإلكترونية من هذه المقالة (متوفرة على http://www.jbc.org) على مواد تكميلية.

حاصل على زمالة C.J.Martin لما بعد الدكتوراه من المجلس الوطني للبحوث الصحية والطبية ، أستراليا.


بعض خواص الطبقات الأحادية الكلوروفيل والكلوروفيل البلوري *

3 مولدات متعددة المكونات

طبقات أحادية متعددة المكونات تحتوي على الكلوروفيل أ و ب وبيتا كاروتين أعدته كولمانو لأول مرة في عام 1962 ( 19 ) في محاولة لمحاكاة تجمع الصبغة في جهاز التمثيل الضوئي الطبيعي. تم تحضير الطبقة الأحادية المختلطة عن طريق نثر محلول بنزين يحتوي على الكلوروفيل أ و ب وبيتا كاروتين في نسبة المول 6: 3: 1 على محلول فوسفات منظم وضغط إلى 20 داين / سم. إن طيف الامتصاص لمثل هذه الطبقات الأحادية متعددة المكونات يحمل تشابهًا مذهلاً مع الطحالب أحادية الخلية التي تحتوي على أصباغ مماثلة. أدى التشابه الطيفي في كل من مواضع الذروة ونسب ارتفاع الذروة المؤلف إلى افتراض ذلك في الجسم الحي قد توجد الكلوروفيل أيضًا كطبقات أحادية معبأة قريبة في واجهات سائلة.

على الرغم من أنه يمكن أن ينتشر β-carotene النقي على محلول فوسفات مؤقت ، إلا أنه لا ينتشر على سطح بين الماء والهواء النقي. نظرًا لأن الكاروتين عبارة عن هيدروكربون نقي ، فإن جزيئاته لا تتجه في طبقة أحادية ، ولكنها تتجمع في جزر. مع زيادة ضغط الفيلم ، تقل مساحة الجزر ويزداد سمكها ، كما يتضح من قياسات القطع الناقص.

في الآونة الأخيرة ، تتكون الطبقات الأحادية متعددة المكونات من Chl أ بالإضافة إلى المواد المخففة الخاملة مثل الأحماض الدهنية والكحول والإسترات ( 20 ). تمثل هذه الطبقات الأحادية المختلطة محلولًا ثنائي الأبعاد للصباغ. اعتمادًا على نسبة مخفف الصباغ ، يمكن بالتالي تنظيم المسافة بين الجزيئات للصبغة في طبقة ثنائية الأبعاد بشكل فعال.

ضمن الخطأ التجريبي ، تكون المنطقة التي تشغلها الطبقات الأحادية المختلطة لـ Chl α-oleyl (أو كحول الستيريل) متطابقة تقريبًا مع المنطقة التي يشغلها نفس عدد جزيئات المكونات. يشير هذا السلوك إلى أن المكونات إما غير قابلة للمزج أو أن المكونات يمكن أن تشكل حلولًا مثالية ثنائية الأبعاد. بمعنى آخر ، الطاقة الحرة الزائدة للخلط هي صفر.

يحتوي كحول الزيت الأحادي الطبقة على ضغط انهيار قدره 30 ± 1 داين / سم ، يكون انهياره سريعًا وقابلًا للانعكاس. شل أ أحادي الطبقة لديه ضغط انهيار 23 داين / سم. يختلف ضغط الانهيار للطبقة المختلطة من كحول Chl α-oleyl باختلاف التركيبة ، مما يشير إلى أن المكونات قابلة للامتزاج. تشير بيانات ضغط الانهيار إلى وجود محلول ثنائي الأبعاد على الأقل يصل إلى نسبة جزيء الكلوروفيل 0.1 ( 20 ). الزيادة في غلة الفلورة من الكلوريد الصافي أ الفيلم عند تخفيفه بالكحول الأولييل يشير أيضًا إلى أن Chl أ يذوب بشكل فعال في كحول أولي ( 21 ) (انظر أدناه ).

تنهار الطبقات الأحادية من كحول الستياريلي المشبع ببطء ويمكن ضغطها خارج ضغط انتشار التوازن. طبقات مختلطة تحتوي على كحول ستياريلي و Chl أ تظهر عدم وجود انهيار يمكن اكتشافه حتى يتجاوز الضغط 35 داين / سم. من ناحية أخرى ، عندما يتم الاحتفاظ بالطبقات المختلطة في منطقة ثابتة وعند ضغوط أعلى من 22 داين / سم ، يحدث انخفاض تدريجي في الضغط يشير إلى انهيار بطيء ، بينما لا تحدث مثل هذه التغييرات عند ضغوط أقل من 21 داين / سم. تشير هذه النتائج إلى أن المكونات غير قابلة للامتزاج ، لأن الطبقة المختلطة تصبح غير مستقرة عندما يكون الضغط أعلى من ضغط الانهيار للمكون الأقل استقرارًا. يشار أيضًا إلى عدم امتزاج هذين المكونين من خلال حقيقة أنه لا يمكن اكتشاف أي زيادة في عائد التألق عندما يتم تخفيف فيلم الكلوروفيل النقي باستخدام كحول ستياريلي ( 21 ) (انظر أدناه ).


هل تمضغ الأبقار بطريقة تفضيلية؟ - مادة الاحياء

موقع إلكتروني رسمي لحكومة الولايات المتحدة

تستخدم المواقع الرسمية .gov
أ .gov موقع الويب ينتمي إلى منظمة حكومية رسمية في الولايات المتحدة.

تستخدم مواقع الويب الحكومية الآمنة HTTPS
أ قفل (قفل قفل مقفل

) أو https: // يعني أنك اتصلت بأمان بموقع الويب .gov. مشاركة المعلومات الحساسة فقط على المواقع الرسمية والآمنة.

وزارة الزراعة الأمريكية

بيولوجيا جدار الخلية وبحوث الاستخدام: ماديسون ، ويسكونسن

على مستوى ARS

في هذا الموقع

عنوان: إمكانية تطبيق المحاكاة الحيوية للتأمل في تصميم المفاعل الحيوي

ملخص تفسيري: الاجترار ، أو "مضغ المجتر" ، هو العملية التي تقوم من خلالها الأبقار والحيوانات المجترة الأخرى (الحيوانات المجترّة التي تمضغ مثل الأغنام والماعز) بإعادة مضغ الأعلاف النباتية الليفية التي أكلتها لفتح بنية النبات وجعل الألياف أكثر سهولة للميكروبات الموجودة في الكرش لهضمها. يؤدي الاجترار إلى تمزيق جدران الخلايا الليفية في أعشاب العلف والبقوليات ، مما يفتح الألياف القابلة للتخمير بسهولة أكبر للوصول إلى الميكروبات. طورت الأبقار والحيوانات المجترة الأخرى أشكالًا متخصصة من الأسنان تقوم بعمل فعال وموفر للطاقة لطحن النباتات وتمزيقها أثناء الاجترار. تعتمد معالجة الكتلة الحيوية لصنع الوقود الحيوي أيضًا على تفكيك المواد النباتية الليفية لتتخمر الميكروبات. تشير مقارنة كفاءة الطاقة في الاجترار مقابل أشكال الطحن الأخرى المستخدمة في الكتلة الحيوية إلى أن الاجترار يتطلب طاقة أقل. لقد طورت المجترات الاجترار وهيكل أسنانها على مدى آلاف السنين من أجل الحصول على التغذية من الأعلاف الليفية. كان الناس يعملون على معالجة الأعلاف الليفية لإنتاج الوقود الحيوي لعدة سنوات أقل من ذلك. قد نكون قادرين على تحسين الطاقة والكفاءات الإجمالية لمعالجة الكتلة الحيوية الحالية لإنتاج الوقود الحيوي من خلال دمج بعض استراتيجيات المجترات المتمثلة في تجزئة العينة وفرز حجم الجسيمات أثناء الاجترار ، وذلك باستخدام شكل أسطح ضرس البقر في تطوير أسطح الطحن ، و تطبيق مفهوم الطحن الرطب داخل خزانات تخمير الوقود الحيوي بدلاً من معالجة المواد الجافة.

الملخص الفني: الاجترار هو العملية التي من خلالها تقوم الحيوانات المجترة بتجديد طعامها - الكتلة الحيوية السليلوزية إلى حد كبير - لإعادة المضغ لتقليل حجم الجسيمات وتسريع تحللها البيولوجي من قبل المجتمع الميكروبي المتبادل للحيوان. يكشف الفحص التفصيلي للعملية أنها نوع فريد وفعال بشكل غير عادي وموفر للطاقة من المعالجة الفيزيائية أو المعالجة المشتركة. يتم اكتساب الفعالية وكفاءة الطاقة من خلال عدة جوانب غير محل تقدير للعملية ، بما في ذلك: الترطيب الكامل للكتلة الحيوية قبل تعرضها لإعادة مضغ نمط الأسنان الناقص وحركة الفك المصممة لزيادة القص والتفكيك (بدلاً من القطع) للكتلة الحيوية وآلية فعالة لفرز الأعلاف تؤدي إلى معالجة تفضيلية للجزيئات الأكبر التي تحتاج إلى مزيد من الطحن ، بدلاً من الجسيمات الأصغر التي لا يوفر طحنها الإضافي فائدة تذكر. تشير هذه الفروق الدقيقة في عملية الاجترار إلى العديد من التصميمات لتحقيق تقليل مماثل في حجم الجسيمات وزيادة مساحة السطح مباشرة داخل المفاعلات الحيوية التي تخمر الكتلة الحيوية السليلوزية.


علم الأحياء: هل الأفاعي / الأسماك / الحيوانات بلا أطراف لها يد؟

على سبيل المثال ، إذا كانوا يحاولون التحرك - فهل يفضلون استخدام عضلات جانب واحد أولاً؟ ربما مضغ غير متكافئ؟

أفضل مثال يمكنني التفكير فيه هو ثعبان Iwasaki & # x27s snail-eater (Pareas iwasakii). كما يوحي الاسم ، فهو متخصص في أكل الحلزون ، ولديه طريقة فعالة جدًا لإخراجها من قشرتها.

لديهم فكًا سفليًا متخصصًا مع المزيد من الأسنان على الجانب الأيمن ، مما يسهل عليهم إخراج الحلزون من قشرة التواء في اتجاه عقارب الساعة ، وهي الطريقة الأكثر شيوعًا للالتواء. كما أنهم دائمًا يلفون رأسهم إلى اليسار عند الهجوم ، وذلك لإدخال الفك الأيمن في القدم اللحمية الناعمة للحلزون.

لكن بعض القواقع لها أصداف تلتف عكس اتجاه عقارب الساعة. حوالي 5٪ فقط من أنواع الحلزونات تشبه هذا ، ولكن في المناطق التي تتغذى فيها الثعابين على الحلزون ، فإن هذا الرقم يقارب 12٪. هذا لأن الثعابين تجد صعوبة بالغة في أكل هذه القواقع.

في حين أن الحلزون في اتجاه عقارب الساعة نادرًا ما ينجو من أي هجوم ، فإن الحلزون عكس اتجاه عقارب الساعة سوف يفلت من حوالي 87.5٪ من الوقت.

هناك & # x27s مقال مع بعض الصور المتاحة هنا.

اليد هي نوع من الطرق المفيدة لوصف ما يسميه علماء التشريح وعلماء الوراثة chirality ، وهو التركيز على التطور في جانب أو آخر. تؤدي الثعابين ، نتيجة لاستطالة أجسامها ، إلى انخفاض الأعضاء في جانب أو آخر. بالنسبة للاستخدام التفضيلي لجانب أو آخر ، يمكن تطوير هذا بقدر ما يمكن أن يكون متخلفًا ، وبالتالي يمكن للحيوانات إظهار استخدام اليد في استخدام الأدوات (القردة) ، واتجاه اللف (في الثعابين) ، وما إلى ذلك.

يمكن تعريف اليد في هذه الحالة بشكل أفضل على أنها ربما & quot ؛ تخصص محرك دقيق على جانب واحد من الجسم & quot ؛ لأنك سألت عن الحيوانات بدون أيدي ، بعد كل شيء.

في الحيوانات مثلنا التي لديها تناسق ثنائي (الجانب الأيسر من جسمك هو انعكاس معدّل قليلاً لليمين) ، يدير الجانب الأيسر من الدماغ اليمين ، والعكس صحيح (على الأقل فيما يتعلق بالتحكم الحركي).

تشير أفضل النظريات المتعلقة بالسيطرة على اليد (ولا نفهم تمامًا كيف نشأ هذا ، على حد علمي) أنه عندما يخرج الدماغ & quot؛ & quot؛ في قدرة المعالجة ، فإنه ينقل بعض الوظائف إلى جانب واحد فقط من أجل تحرير & اقتباس الحوسبة مسافة & quot. هذا واضح في معالجة اللغة البشرية ، على سبيل المثال ، والتي عادة ما تركز على جانب واحد من الدماغ (ولكن ليس دائمًا).

ليس من الواضح بالضبط كيف ترتبط معالجة اللغة المتحركة ارتباطًا مباشرًا بالاعتدال ، لكنها اعتقدت أن التخصص الحركي لجانب واحد من الدماغ لن يحدث إلا في الأدمغة المعرفية & quot؛ المعرفية & quot؛ وهذا هو السبب في أن استخدام اليد على اليد واضح فقط في المستوى الأعلى القردة (وخارجنا ، إنها حقًا مجرد بالكاد واضح في القرود) وربما بعض الحيوانات الاجتماعية الأخرى ، اعتمادًا على ما إذا كنت تعتقد أن الكلاب لها تفضيل & quotshake & quot paw ، إلخ.

هذا قليل من التكهنات هنا ، لكن تخميني هو أن الحيوانات مثل ثعبان آكل الحلزون ربما لديها تخصص حركي قائم على الضرورة السلوكية ، مما يعني أنها تفعل ذلك بالصدفة ، وإلا فإنها لن تأكل.

تفصيل كتاب العلوم: يد يسرى تدور حول العالم بواسطة ديفيد وولمان


الملخص

يعد اللون وقدرة الاحتفاظ بالماء (WHC) وطراوة اللحم من المحددات الأساسية للجاذبية البصرية والحسية. على الرغم من وجود العديد من العوامل التي تؤثر على سمات الجودة هذه ، فإن النتائج النهائية لتأثيرها غالبًا ما تكون من خلال التغييرات الرئيسية في بنية بروتينات العضلات وترتيبها المكاني. يعمل الماء كمادة ملدنة لبروتينات العضلات ويفقد الماء من البنية الشبكية الليفية العضلية نتيجة لتمسخ البروتين وما يترتب على ذلك من انخفاض في حجم ألياف العضلات مع زيادة درجة حرارة الطهي. تؤثر التغييرات في ترتيب الشبكة العضلية العضلية أيضًا على خصائص تشتت الضوء والشحوب الملحوظ للحوم. لا تتوافق أسباب الاختلاف في سمات جودة اللحوم النيئة بشكل عام مع الاختلافات في اللحوم المطبوخة وتناقش الاختلافات التي لوحظت بين العضلات النيئة واللحوم المطبوخة أو المعالجة. ستحدد المراجعة أيضًا الثغرات في معرفتنا وحيث يكون إجراء مزيد من التحقيق مفيدًا.


هل تمضغ الأبقار بطريقة تفضيلية؟ - مادة الاحياء

منذ العصور السحيقة ، كان البشر يسلون أنفسهم من خلال التسمم. سواء أكان أسلافنا من رجال الكهوف يمضغون نباتات مهلوسة ، أو قرويين من العصور الوسطى يسترخون مع فنجان من الميد ، أو الهيبيين في الستينيات والثمانين والسبعينيات من القرن الماضي الذين ينغمسون في المخدر ، فمن الآمن أن نقول إن تعاطي المخدرات هو أحد أقدم وسائل التسلية لدينا.

ومع ذلك ، فإن البشر ليسوا وحدهم من يتعاطون المخدرات. هناك العديد من حالات تعاطي المخدرات في أنواع حيوانية أخرى.

القطط تستخدم النعناع البري

أحد الأمثلة الأكثر شيوعًا عن تعاطي الحيوانات للمخدرات هو القطط والنعناع البري. شهد العديد من مالكي القطط حيواناتهم الأليفة وحماسة # 8217 عند تقديم هذه العشبة القوية ، والتي غالبًا ما تؤدي إلى تغييرات روح الدعابة في سلوكهم.

عند تعرضها للنعناع البري ، تأكل القطط أزهارها وتفرك نفسها على الأوراق والسيقان. في غضون دقائق ، ستبدأ القطط في إظهار علامات التسمم ، بما في ذلك الاستنشاق ، والتدحرج ، واللعق ، وفرك نفسها ، والتمدد ، والقفز ، والنعاس. بعض القطط يسيل لعابه. يُعتقد أيضًا أن القطط تصاب بالهلوسة تحت تأثير هذه العشبة ، نظرًا لأن العديد سيبدأون في إظهار سلوكيات الصيد حتى في حالة عدم وجود فريسة. 1

المادة الكيميائية التي تحفز هذه التفاعلات تسمى nepetalactone. يبدو أن القطط تستجيب للمادة الكيميائية تمامًا كما تستجيب لفيرومونات القطط ، مما يُظهر السلوكيات المتعلقة بالإثارة الجنسية. تستجيب كل من القطط من الذكور والإناث نوعًا للنعناع البري ، مما يظهر انخفاضًا في الاهتمام بالفريسة (نموذجي للذكور تجاه إناث القطط في الشبق) ، والدحرجة (نموذجية للقطط الأنثوية في الشبق).

من المثير للاهتمام أيضًا أن نلاحظ أن & # 8220 شخصية & # 8221 للقطط الفردية لها تأثير قوي على كيفية استجابتها للنعناع البري: أولئك المنتهية ولايتهم والودية سيكون لديهم استجابة أكثر إيجابية من أقرانهم المنسحبين. حساسية النعناع البري هي سمة وراثية فقط 33٪ من القطط لا تستجيب للنيبتالاكتون.

إنها ليست فقط القطط المنزلية التي تحب النعناع البري. القطط الكبيرة مثل النمور والفهود والوشق لها ولع بها أيضًا. تبحث بعض أنواع القطط البرية أيضًا عن أدوية أخرى في البرية. على سبيل المثال ، من المعروف أن Jaguars يأكل ayahuasca ، المعروف أيضًا باسم yagé. يحتوي هذا النبات على مركب مخدر DMT ، والذي يسبب الهلوسة الحية وزيادة الحواس.

الدلافين تعصر السمكة المنتفخة

وقد لوحظت الدلافين في مناسبات متعددة 2 تحمل سمكة البخاخ في أفواهها ، وتضغط عليها ، وتنقلها إلى دلافين أخرى. يُعتقد أن الدلافين تحاول جعل السمكة المنتفخة تطلق دفعة صغيرة من السم العصبي ، مما يضعها في حالة تشبه النشوة.

تم تسجيل هذا السلوك في فيلم وثائقي لهيئة الإذاعة البريطانية (BBC) أنتجه عالم الحيوان روبرت بيلي ، الذي علق على & # 8220: كانت هذه حالة من الدلافين الصغيرة التي تجرِّب عن قصد شيئًا نعرف أنه مسكر. بعد مضغ البخاخ وتمريره برفق ، بدأوا يتصرفون بشكل غريب للغاية ، حيث يتسكعون وأنوفهم على السطح كما لو كانوا مفتونين بانعكاسهم. كانت الدلافين تذهب على وجه التحديد إلى البخاخات وتتعامل معها بحذر. يبدو أن الدلافين خبراء في كيفية تحضير البخاخات وكيفية التعامل معها. & # 8221 3

نظرًا لأن السم الذي تطلقه السمكة المنتفخة مميت بجرعات كبيرة ، فستحتاج الدلافين بالفعل إلى التعامل مع الأسماك بدقة لتجنب التسمم المميت.

أبقار ترعى على لوكويد

ستبحث الأبقار ، بالإضافة إلى ذوات الحوافر الأخرى مثل الأغنام والخيول ، أحيانًا عن نبات يسمى & # 8220locoweed & # 8221. يعمل هذا النبات المسكر كمهدئ للأعصاب ، ويضع الحيوانات في ذهول من الهدوء. 4

في كثير من الأحيان ، ستقف الحيوانات في مكانها لفترات طويلة بعد تناول الجراد ، على ما يبدو غير مهتمة بالتنشئة الاجتماعية أو أي نشاط آخر. بمجرد أن يبدأ الحيوان في الرعي على الجار ، من الصعب جدًا عليه التوقف. بدلاً من أن يكون إدمانًا 5 ، يُعتقد أن الرعي المستمر على الجار هو مجرد سلوك تم تعلمه اجتماعيًا 6 ، على الرغم من أن هذا الأمر محل خلاف.

لسوء الحظ ، فإن تناول اللوكويد أمر خطير للغاية ، مما يسبب مرضًا خطيرًا يعرف باسم & # 8220locoism & # 8221. بعد أن يرعى حيوان ما على الجار لمدة أسبوعين أو أكثر ، سيبدأ في إظهار علامات السمية.تشمل الأعراض فقدان الوزن إلى درجة الهزال والضعف التناسلي والإجهاض والأضرار العصبية. تتطور الحيوانات المصابة بالمحافظة إلى سلوك غير مستقر ، ويمكن أن يكون من الخطير التفاعل معها بسبب العدوان غير المتوقع ، واستجابات الطيران ، والعصبية الشديدة. البعض سيقع في الاكتئاب.

يمكن أن ينتقل سم الجراد إلى حيوانات الرضّع من خلال حليب الأم إذا كانت الأم ترعى على الجار ، مما يتسبب في أضرار لا يمكن إصلاحها. يجب على مربي الماشية والمزارعين بذل جهد كبير لمنع مواشيهم من الرعي على الجرار إذا كانوا يأملون في إنقاذهم من المعاناة.

الأغنام الكبيرة ذات القرون الحزاز المهلوس

في جبال روكي الكندية ، ستنحرف الأغنام ذات القرون الكبيرة تمامًا عن أراضيها وقطعانها الصغيرة عادةً من أجل إشباع إدمانها على الأشنة المهلوسة.

تنمو الأشنة التي يختارونها في مناطق شديدة القسوة على النباتات الأخرى ، مما يعني أن الأغنام يجب أن تخاطر بتسلق الممرات الضيقة والحواف الحادة للوصول إليها.

بمجرد أن يفعلوا ذلك ، فإن الأغنام سوف تتخلص من الحزاز بأسنانها الأمامية. سوف تطحن العديد من الأغنام أسنانها حتى اللثة إذا كان من الضروري الحصول على & # 8220fix & # 8221. لاحظ البشر المحليون أن هذه الأغنام غالبًا ما تظهر سلوكًا غريبًا مقارنة بزملائها في القطيع غير المدمنين. 4

الغزلان تأكل الفطر مخدر

تتغذى أنواع كثيرة من الغزلان على عيش الغراب المخدر ، بما في ذلك الموظ والوعل.

أثناء البحث عن الطعام ، سوف يبحث الغزلان عن ذبابة غاريق (أمانيتا موسكاريا) الفطر المجمد تحت ثلوج الشتاء. ذكر مراقبون بشريون أنه بعد تناول الفطريات ، غالبًا ما يظهر الغزلان & # 8220 سكران & # 8221 السلوك ، بما في ذلك الجري بلا هدف ، وارتعاش الرأس ، والضوضاء.

الوعل الذي يقع تحت تأثير غاريق الذباب سيفصل نفسه عن قطيعه ، غالبًا بتكلفة عالية. تسممهم يتركهم في حالة ضعف يمكن أن تستغلها الحيوانات المفترسة ، وتتعرض عجولهم غير المراقبة لنفس الخطر.

إن تناول الفطر ينقع بول الوعل مع عوامل نفسية ، مما يعني أنه يمكن استهلاكه أيضًا للحصول على نسبة عالية. سيقاتل كاريبو فيما بين بعضه البعض من أجل الوصول إلى بول زميله في القطيع الذي أكل غاريق الذبابة. من خلال ملاحظة ذلك ، أدرك البشر أنه يمكنهم أيضًا الاستفادة من استهلاك بول الوعل المسكر.

في سيبيريا والدول الاسكندنافية ومناطق أخرى حيث تكثر قطعان الرنة ، أصبحت هذه عادة محلية. بعد المرور عبر نظام الغزلان & # 8217s ، تكون العوامل ذات التأثير النفساني للفطريات أكثر فاعلية ، وقد تم تصفية العديد من المواد الكيميائية التي تسبب آثارًا جانبية غير مرغوب فيها. سواء كان الوعل أو الإنسان ، فإن أي كائن يشرب هذا البول سيختبر قوة أقوى من الأكل الأصلي للفطر.

الولاب على الأفيون

تزرع أستراليا ما يقرب من نصف الأفيون القانوني في العالم ، والذي يستخدم في صناعة المستحضرات الصيدلانية للاستخدام البشري ، على الرغم من أن حقول الخشخاش المسكرة للأرض تُقدّر أيضًا من قبل الولاب.

في عام 2009 ، ذكرت المدعية العامة في تسمانيا لورا جيدينجز أن الولاب يسبب مشاكل كبيرة لأمن المحاصيل. & # 8220 الشيء المثير للاهتمام الذي وجدته مؤخرًا في أحد ملخصاتي حول صناعة الخشخاش هو أننا نواجه مشكلة مع دخول الولب إلى حقول الخشخاش ، حيث تصل إلى ارتفاع طائرة ورقية وتتجول في دوائر ، ثم تتحطم. نحن نرى دوائر المحاصيل في صناعة الخشخاش من الولاب المرتفعة. & # 8221 قالت.

نظرًا لأن الأفيون يسبب الإدمان ، فليس من المستغرب أن تكون هناك أيضًا تقارير عن عودة الولاب إلى الحقول مرة بعد مرة لتتغذى. 8

تقارب بين الأنواع للكحول

اقترح الدكتور روبرت دادلي ما يُعرف بفرضية & # 8220 The Drunken Monkey & # 8221: أن البشر قد طوروا جاذبية للكحول بسبب التكيفات التطورية. 9 كان أحد مصادر الغذاء الرئيسية لأسلافنا الرئيسيين هو الثمار المفرطة النضج والمخمرة. قدمت هذه الأطعمة نسبة عالية من السعرات الحرارية للرئيسيات ، مما يعني أنها لم تكن بحاجة إلى قضاء الكثير من الوقت والطاقة في البحث عن مصادر أخرى للرزق. من خلال الانتقاء الطبيعي ، طور الرئيسيات تفضيلًا للأطعمة المخمرة. تم نقل هذا الاستعداد إلى البشر عن طريق التطور.

لا يقتصر الإعجاب بالكحول على البشر وأسلافنا فقط ، بل يوجد أيضًا في الرئيسيات الأخرى اليوم ، بالإضافة إلى العديد من الأنواع الأخرى.

يفضل النحل تناول العصارات المخمرة والرحيق ، وسوف يشرب الإيثانول بنسبة 100٪ إذا أتيحت له الفرصة. & # 8220 يمكننا حملهم على شرب الإيثانول النقي ، ولا أعرف أي كائن حي يشرب الإيثانول النقي & # 8211 ولا حتى طالب جامعي. & # 8221 يقول الباحث تشارلز أبرامسون. 10

ومع ذلك ، لا يتم التسامح مع السكر بشكل جيد في مجتمعات النحل. يؤثر الكحول على النحل كثيرًا بنفس الطريقة التي يؤثر بها على البشر ، مما يتسبب في الارتباك. من المرجح أن يتعرض النحل المسكر للحوادث أثناء الطيران ، ويضيع ، ويفشل في مشاركة الطعام. 11 كل هذا له تأثير على قدرة النحل على المساهمة في الخلية. إذا تم تسمم النحلة بشكل متكرر ، فإن زملائها في الخلية يصبحون عدوانيين تجاهها ، ويهاجمونها حتى تتم إزالة أطرافها أو قتلها.

& # 8220 في عام 1990 ، قام الأطباء البيطريون بقياس مستويات الكحول في اثنين من أجنحة شمع الأرز المتوفاة مؤخرًا والتي أكلت ثمار الزعرور ، ثم سقطت بشكل مأساوي من على سطح أحد المنازل. كانت تركيزات الكحول في أكباد ومحاصيل هذه الطيور أعلى بعشر إلى مائة مرة من تلك التي تم قياسها في أنواع الطيور الضابطة ، مما يشير إلى ارتفاع مستوى تناول الكحول.

يبدو أن أجنحة شمع الأرز معرضة بشكل خاص لخطر كبير في هذا الصدد نظرًا لظهورها المتكرر في الأدبيات الشعبية ، حيث أشارت تقارير متعددة في أمريكا الشمالية إلى أنها تطير في حالة سكر إلى النوافذ والمباني. قد تكون الطيور الآكلة للفاكهة في المنطقة المعتدلة معرضة بشكل خاص للسكر عندما تستهلك التوت المخمر في ذوبان الجليد في الربيع. أفاد تقرير عام 2012 من كمبريا في المملكة المتحدة عن مستويات عالية من الكحول في طيور الشحرور الميتة والأجنحة الحمراء ، بما يتفق مع التسمم القاتل.

وبالمثل ، تم الإبلاغ عن أن اللوريكات الأسترالية أصبحت في حالة سكر أثناء تغذيتها على الرحيق المخمر ، وفي النهاية أصبحت غير قادرة على الطيران. في الواقع ، قد يكون شرب الكحول أثناء الطيران أمرًا خطيرًا بشكل خاص.

أشارت سلسلة من الدراسات التي أجريت على خفافيش الفاكهة في صحراء النقب إلى أنه على الرغم من قدرتها على استشعار الكحول في المحلول بمستويات منخفضة جدًا ، إلا أنه يتم تجنب التركيزات المائية التي تزيد عن 1٪. تعد الرحلات الليلية من وإلى المجاثم الجماعية إلزامية لهذه الخفافيش الكبيرة ، وأي عجز عن الطيران قد ينطوي على مخاطر كبيرة بالنسبة لهم للحيوانات المفترسة ، وفي الواقع لأي حيوان طائر لديه قدرة محدودة على الحركة على الأرض.

وبالتالي ، من المرجح أن تختلف الاستجابات السلوكية للكحول باختلاف أنواع الحيوانات المعنية ، ومع جوانب مختلفة من فسيولوجيتها وبيئتها الطبيعية. & # 8221

& # 8211 مقتطف من The Drunken Monkey: لماذا نشرب ونتعاطي الكحول

بعض الحيوانات التي تنغمس في الكحول تصبح معتمدة عليه ، وتظهر عليها علامات الإدمان. عند منحها الخيار ، ستستهلك الشمبانزي كمية كافية من الكحول بشكل منتظم لتجربة الانسحاب عند إزالة إمكانية الوصول إلى الكحول. 12

يُظهر ذباب الفاكهة تفضيلًا للحلول التي تحتوي على الإيثانول ، وكلما ارتفع مستوى الإيثانول ، كان ذلك أفضل. بسبب هذا وحقيقة أنهم سيعودون إلى & # 8220binge الشرب & # 8221 حتى بعد فترات طويلة من الحرمان من الكحول ، يعتبر ذباب الفاكهة نموذجًا حيوانيًا مناسبًا لدراسة إدمان الكحول. 13 من الجدير بالذكر أن استهلاك الكحول له تأثير على النشاط الجنسي لذبابة الفاكهة ، والعكس صحيح. تميل ذبابة الفاكهة المحرومة جنسياً إلى شرب المزيد من الكحول 14 ، وعندما تكون في حالة سُكر بشكل مستمر ، يُظهر ذكور الذباب سلوكيات مثلية. 15

لمشاهدة القردة تسرق المشروبات الكحولية من البشر والسماع عن معدلات شربها ، شاهد الفيديو أدناه.

المزيد عن تعاطي المخدرات الحيوانية

على الرغم من تنوع أمثلة تعاطي المخدرات الحيوانية المذكورة أعلاه ، لا يزال هناك العديد من الحالات الموثقة. لمعرفة المزيد حول الطرق التي تبحث بها الحيوانات عن التسمم الترفيهي ، اقرأ كتاب `` الحيوانات والمخدرات: العالم الطبيعي والغريزة لتغيير الوعي '' من تأليف جورجيو ساموريني ، والتسمم: الدافع الشامل للمواد المتغيرة للعقل لروبرت سيجل.


استخراج صناديق المرضى من الحليب

تتمثل إحدى طرق الحصول على نفس السكريات السكرية الموجودة في حليب الأم في تنقيتها مباشرة من حليب الثدي. منذ حوالي عام ، أعلن بيان صحفي صادر عن شركة Medolac Laboratories عن قدرتها على تنقية كميات كبيرة من HMOs تجارياً من حليب الأم المتبرع (25). لكن صعوبة الحصول على كميات كبيرة من اللبن البشري لإنتاج HMO التجاري يعني أن غالبية الجهود قد ركزت على طرق أخرى للحصول على هذه الجزيئات.

يتضمن أحد هذه الأساليب تركيز واستخراج HMOs من حليب البقر. تتشابه السكريات القلة في حليب البقر من الناحية الهيكلية مع تلك الموجودة في حليب الأم ، لكن تركيزها أقل بكثير (24 ، 26). حليب البقر هو بالفعل الحليب الأكثر شيوعًا المستخدم في حليب الأطفال في الولايات المتحدة ، لذلك من المتوقع أن تكون السكريات قليلة السكاريد المستخرجة منه آمنة للاستهلاك البشري. يحاول الباحثون استخدام تقنيات الفلترة لإزالة معظم اللاكتوز والأملاح من حليب البقر وزيادة تركيز السكريات القليلة.

يعمل مختبر معالجة الحليب بجامعة كاليفورنيا في ديفيس على تطوير طرق لاستخراج كميات كبيرة من السكريات قليلة السكريات من حليب الأبقار والحليب البشري ، وفقًا لدانييلا باريل ، الأستاذة المشاركة في علوم وتكنولوجيا الأغذية في جامعة كاليفورنيا في ديفيس. يمكن اختبار هذه السكريات في الدراسات على الحيوانات لتحديد ما إذا كانت توفر الآثار المفيدة المرتبطة بصناديق المرضى. حليب البقر ، وخاصة مصل اللبن - الجزء السائل من الحليب الذي ينفصل عن الخثارة أثناء إنتاج الجبن - يمكن أن يكون وسيلة لإنتاج السكريات التجارية ذات الفوائد المماثلة لتلك الموجودة في لبن الأم.

"التكنولوجيا & # 8217s في مكانها الصحيح ، لذلك يجب أن نكون قادرين في الوقت الحاضر على عزل السكريات قليلة السكاريد عن مصل اللبن" ، كما يقول باريل. "مصل اللبن مصدر رائع ، ولكن لا تزال هناك تحديات كبيرة إذا كنت تريد حقًا الوصول إلى درجة نقاء جيدة ولديك دفعة عملية قابلة للتكرار على دفعات" ، كما تقول.

لا تتطابق السكريات السكرية الفردية من حليب البقر تمامًا مع تلك الموجودة لدى البشر ، ولكن ميزة هذه التقنية هي قدرتها على تكرار بعض تنوع قليل السكاريد الموجود في حليب الأم ، كما يقول باريل. وتقول إن الطرق الأخرى لم تتمكن حتى الآن من إنتاج سوى حفنة من هذه السكريات. يقول Barile: "إذا كنت تريد حقًا أن تقول أنك تريد تقليد لبن الأم ، فبدلاً من الحصول على واحد أو اثنين من السكريات قليلة السكاريد ، فأنت تريد الحصول على المكمل الكامل". وتقول: "لقد أحرز نهج التوليف تقدمًا كبيرًا ، ويمكنهم الآن إنتاج كميات أكبر ، لكنه لا يمثل كوكبة معقدة للغاية من الهياكل المختلفة الموجودة في حليب الأم".

"في الوقت الحالي ، يمكن لعملية العزل أن تسفر عن تنوع أفضل مما يحصل عليه التوليف. لذا يمكنك الحصول على المزيد من الهياكل ، ويمكن أن يكون لديك المزيد من الجزيئات ، لذا فهو أكثر تشابهًا مع حليب الأم "، كما يقول باريل. وتقول: "لكن لا تزال هناك تحديات كثيرة". يقول Barile: "لا يوجد منتج واحد في السوق حاليًا مصنوع من قليل السكاريد المعزول من مصل اللبن ، لذا فهو # 8217s في المستقبل". "نحن في بداية العملية ، ولا يزال هناك طريق طويل لنقطعه."


رحلة إلى عالم النانو: القدرة على تصميم واستخدام والتحكم في الوظائف المشابهة للمحرك على المستوى الجزيئي تمهد الطريق للعديد من الأنظمة الجزيئية الديناميكية. في محاضرة نوبل التي ألقاها ، يصف ب.

في بداية رحلتي إلى المنطقة المجهولة للمحركات الجزيئية التركيبية ، أعتبر أنه من المناسب التأكيد على متعة الاكتشاف التي جربتها من خلال الكيمياء التركيبية. يقدم الجمال الجزيئي والتنوع الهيكلي والوظائف المبتكرة لآلية الحياة ، 1 ، 2 التي تطورت من ذخيرة محدودة بشكل ملحوظ من اللبنات الأساسية ، مصدرًا هائلاً للإلهام للكيميائي التركيبي الذي يدخل مجال الأنظمة الجزيئية الديناميكية. ومع ذلك ، وبعيدًا عن تصميمات الطبيعة ، توفر القوة الإبداعية للكيمياء التركيبية فرصًا غير محدودة لتحقيق عالمنا الجزيئي كما نختبر كل يوم بمنتجات تتراوح من الأدوية إلى العروض التي تدعم المجتمع الحديث. في ممارستهم لفن بناء الكيميائيين التخليقيين الصغار ، أظهروا نجاحات مذهلة في التوليف الكلي للمنتجات الطبيعية ، 3 تصميم المحفزات الانتقائية 4 وتجميع المواد الوظيفية ، 5 على سبيل المثال لا الحصر من التطورات التي شوهدت خلال العقود الماضية. خارج حدود الكيمياء المعاصرة ، والانتقال من الجزيئات إلى الأنظمة الجزيئية الديناميكية ، يواجه المستكشف الجزيئي التحدي الأساسي لكيفية التحكم في الحركة واستخدامها على نطاق النانو. 6 عند التفكير في أولى خطواتنا الناجحة ، وإن كانت بدائية ، في هذا المسعى ، غالبًا ما تتجه أفكاري إلى الأخوين رايت واستعراضهم لطائرة تحلق في كيتي هوك في 17 ديسمبر 1903. 7 لماذا تحتاج البشرية للطيران؟ لماذا نحتاج محركات أو آلات جزيئية؟ لم يكن أحد يتوقع أنه في المستقبل سوف يقوم المرء ببناء طائرات ركاب تحمل كل منها عدة مئات من الأشخاص بسرعة تقترب من سرعة الصوت بين القارات. أثناء الإعجاب بأناقة الطائر الطائر ، فإن المواد ومبدأ الطيران للطائرة الاصطناعية بالكامل يختلف جوهريًا عن تصميمات الطبيعة. على الرغم من التقدم المذهل في العلوم والهندسة خلال القرن الماضي ، والذي تجلى بوضوح في الطائرات الحديثة ، إلا أننا نشعر بالتواضع لإدراكنا أننا ما زلنا لا نستطيع تصنيع طائر أو خلية واحدة من الطائر أو حتى إحدى آلاته البيولوجية المعقدة.

إنه لأمر مدهش أن ندرك أن المحركات الجزيئية موجودة في كل مكان في الأنظمة الحية ومفتاح لكل عملية أساسية تقريبًا بدءًا من النقل إلى انقسام الخلايا وحركة العضلات وتوليد ATP الذي يغذي عمليات الحياة. 8 في العالم المجهري ، من الصعب تخيل الحياة اليومية بدون محركاتنا وآلاتنا ، على الرغم من أن رسم أوجه التشابه بين هذه الآلات الميكانيكية والمحركات البيولوجية غير مناسب إلى حد كبير. على وجه الخصوص ، يجب التأكيد على تأثير مقاييس الطول عند مقارنة روبوت على سبيل المثال في مصنع لتصنيع السيارات والروبوت البيولوجي ATPase. بينما في الحالة الأولى الحجم ، الزخم ، القصور الذاتي والقوة هي معلمات مهمة ، في عالم الآلات الجزيئية ، التفاعلات غير التساهمية ، المرونة التوافقية ، اللزوجة ، التفاعل الكيميائي تهيمن على الوظيفة الديناميكية. 9 بالإضافة إلى ذلك ، عند العمل بأرقام رينولدز منخفضة ، نتجاوز السؤال "كيف نحقق الحركة؟" وتواجه السؤال "كيف تتحكم في الحركة"؟ في العالم الجزيئي حيث قواعد الحركة البراونية ، مع ملاحظة أن المحركات البيولوجية تعمل بشكل شائع كسقالات براونية 10 ، فإن تصميم الأنظمة الجزيئية ذات الحركة الانتقالية والدوارة المحددة بدقة هو التحدي الرئيسي. 11

تحقيق قفزة من الجزيئات إلى الأنظمة الجزيئية الديناميكية أثناء استخلاص الدروس من الحياة نفسها ، يتمثل التحدي المهم في النهاية في تحقيق ظواهر خارج التوازن. تُعد المفاتيح والمحركات الجزيئية مناسبة تمامًا لإدخال السلوك الديناميكي والوصول إلى الحالات غير المستقرة ودفع الأنظمة الجزيئية بعيدًا عن التوازن الحراري. ركزنا على ثلاثة جوانب رئيسية: التشغيل والتبديل ، والتجميع الذاتي الديناميكي والتنظيم ، والحركة الجزيئية ، مع منظور مستقبلي موجه نحو المواد سريعة الاستجابة ، والأدوية الذكية والآلات الجزيئية وغيرها.

المفاتيح الجزيئية

المفاتيح الجزيئية Chiroptical وتخزين المعلومات

في محاولاتنا الأولية لتصميم الجزيئات ذات الوظائف الديناميكية الجوهرية التي تطورت في النهاية إلى محركات دورانية جزيئية ، أخذنا الإلهام من عملية الرؤية. 12 تستند هذه العملية الطبيعية سريعة الاستجابة المذهلة إلى خطوة كيميائية أولية ، وهي الكيمياء الضوئية رابطة الدول المستقلةعبر أزمرة حول الرابطة المزدوجة بين الكربون والكربون في الصبغي الشبكي (الشكل 1 أ). لقد تصورنا استكشاف عملية التبديل البسيطة هذه في تصميم وحدات تخزين المعلومات الجزيئية والعناصر المستجيبة في الأنظمة والمواد الجزيئية الديناميكية. على الرغم من أنه يمكن إحداث الاستقرار الثنائي الجزيئي من خلال إشارات الإدخال المختلفة بما في ذلك الضوء ، وتفاعلات الأكسدة والاختزال ، وتغيرات الأس الهيدروجيني ، وربط أيون المعدن ، ودرجة الحرارة ، والمحفزات الكيميائية ، فإن استخدام التبديل الكيميائي الضوئي له مزايا مميزة لأنه عملية غير غازية ذات مكاني عالٍ. - الدقة الزمنية. 13 بناءً على العمل الأساسي الذي قام به Hirshberg على azobenzenes ، و 14 Heller on fulgides ، و 15 Irie على diarylethylenes 16 وغيرها ، تم استكشاف 17 جزيءًا فوتوكروميكًا في السنوات الأخيرة في مجموعتنا لتحقيق وظيفة الاستجابة ، بما في ذلك التحكم في الخصائص البصرية والإلكترونية للمواد ، 18 عمليات تجميع جزيئية فائقة 19 ، 25 ووظيفة بيولوجية. 20

أنظمة التبديل الضوئية على أساس الجزيئات ثنائية الاستقرار. أ) أزمرة الشبكية الضوئية في عملية الرؤية. ب) التبديل الجزيئي Chiroptical القائم على الألكينات المكتظة كنظام تخزين المعلومات الجزيئية.

في رحلتنا نحو الجزيئات ثنائية الاستقرار ذات القابلية العالية للضوء ومقاومة التعب العالية ، ركزنا على تخليق الألكينات المزدحمة بالمرآة (الشكل 1 ب). 21 تعتبر القراءة غير المدمرة للحالة جانبًا مركزيًا لأي نظام تخزين معلومات جزيئية محتمل ، وقد تمت معالجته من خلال الاستفادة من الحق المميز (ص)- وغادر (م) المروحيات اليدوية في هذا النظام ، مما يتيح إمكانية القراءة بواسطة تقنيات chiroptical بعيدًا عن نظام التبديل. يُعرّف التحويل البيني بين اثنين من أيزومرين لهما تمايز مختلف ، أي مفتاح جزيئي chiroptical ، نظام تخزين المعلومات الضوئية الرقمي صفر / واحد على المستوى الجزيئي. على الرغم من أن مواد تخزين المعلومات الضوئية عالية الكثافة القائمة على هذا النهج مستقبلية ، إلا أن التحدي الأساسي المتمثل في معالجة الجزيئات الفردية على المقياس النانوي في مجموعة معبأة بشكل وثيق في جهاز بصري بالكامل ، لا يزال يتعين حله على الرغم من التقدم المذهل في اكتشاف الجزيء الواحد التقنيات التي شوهدت على مدى العقود الماضية. 22

في هذه المرحلة ، من المناسب التأكيد على جانبين من هذه الدراسات. أولاً ، الألكينات المزدحمة اللولبية التي شكلت الأساس للمفاتيح الجزيئية chiroptical لها نشأتها في رسالة الدكتوراه الخاصة بي. دراسات تحت إشراف Hans Wijnberg على biaryl atropisomers. تم استكشاف فكرة أن الأوليفينات الملتوية قد تظهر atropisomerism ، باستخدام تفاعل اقتران McMurry الذي تم اختراعه مؤخرًا ، في تخليق رابطة الدول المستقلة- و عبر- أيزومرات من الألكينات المكتظة بطبيعتها غير المتماثلة (انظر الشكل 2 لمعرفة الخط الزمني). 23 إن إدراك أن هذه الهياكل الجديدة تحتوي على كروموفور أصلي من نوع stilbene chiral والذي كان محصنًا من الدوران الضوئي السيئ السمعة الذي شوهد في stilbenes ، قدم نقطة انطلاق بعد أكثر من عقد من الزمان للمفاتيح chiroptical وبعد عقدين من الزمن إلى المحركات الجزيئية الدوارة المدفوعة بالضوء .ثانيًا ، مع التشميرة الضوئية لهذه الألكينات المزدحمة اللولبية ، التي تم الإبلاغ عنها في عام 1991 ، أظهرنا أن الحركة المتحكم فيها في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة في أي اتجاه لنصف الجزيء فيما يتعلق بالنصف الآخر قد تحققت ببساطة عن طريق تغيير الطول الموجي للإشعاع. كان التحكم في اتجاه الحركة الدورانية هو المفتاح للتطور اللاحق للمحركات الدوارة الجزيئية. تم استخدام الألكينات المزدحمة المستجيبة للضوء كمشغلات مراوان في المواد الوسيطة لتحقيق التبديل chiroptical بين أطوار الكريستال السائل الكوليسترول ، وكذلك عناصر التحكم في الدوارات الجزيئية 26 وللتغيير الضوئي لليدين في التلألؤ المستقطب الدائري. 27

رحلة الاكتشاف من الألكين المزدحم في عام 1977 والذي أدى إلى المحرك الجزيئي الدوار الذي يعمل بالضوء في عام 1999 وتقديم أول سيارة كهربائية (تم تصميمها في جامعة جرونينجن عام 1835 من قبل الأستاذ Sibrandus Stratingh) والنانوكار الجزيئي (تم تطويره) في عام 2011) إلى متحف نوبل في ستوكهولم.

تم ضبط الأطوال الموجية للتبديل والانتقائية الفراغية لعملية الأزمرة على سبيل المثال عبر بدائل المانحين والمتقبلين. في سلسلة من الدراسات جنبًا إلى جنب مع مجموعة Harada في جامعة Tohoku ، أنشأنا الخصائص chiroptical والتكوين المطلق ومسارات التفرقة العنصرية للبيفينانثريليدين. 28 من المعالم الهامة اكتشافنا للتحكم الديناميكي وتضخيم التناظر الجزيئي بواسطة الضوء المستقطب الدائري (CPL). 25 هنا قام تشعيع CPL بتحويل التوازن بين ص أو م حلزونات من مفاتيح chiroptical لتحقيق اختلال متوازن صغير تم تضخيمه من خلال تكوين مرحلة بلورية سائلة nematic ملتوية. عزز هذا الاكتشاف فكرة أن الحركة الدورانية أحادية الاتجاه كانت ممكنة من حيث المبدأ باستخدام تشعيع CPL على الرغم من أنه ، على أساس عامل تباين Kuhn لمثل هذه الأنظمة ، فإن معامل الكفاءة والاتجاه سيكون منخفضًا للغاية. 29

مواد سريعة الاستجابة والتجميع الذاتي

توفر المفاتيح الجزيئية فرصًا هائلة لإدخال السلوك الديناميكي في المواد ، وكجزء من برنامجنا حول الوظائف سريعة الاستجابة ، على مدار الثلاثين عامًا الماضية ، اكتشفنا مجموعة متنوعة من مفاتيح التبديل الكيميائية الضوئية والاختزال تتجاوز بكثير الألكينات المكتظة الأولية. توضح الأمثلة القليلة التي تمت مناقشتها هنا الإمكانات في مجالات تتراوح من المواد اللينة إلى التطبيقات الطبية الحيوية. يمكن أن يؤدي تعديل الخصائص الإلكترونية من خلال التبديل الضوئي إلى دمج البصريات والإلكترونيات في الأجهزة القائمة على الجزيئات بشرط أن تعمل المكونات الجزيئية بشكل صحيح عند دمجها في الأنظمة القائمة على أشباه الموصلات. على سبيل المثال ، أتاح التجميع الذاتي للمفاتيح الضوئية للداياريثين في تقاطعات مفككة يتم التحكم فيها ميكانيكيًا التبديل الإلكتروني البصري أحادي الجزيء ، على الرغم من أن الثباتية تم اختراقها في البداية. 19 في تصميمات لاحقة ، تم تصنيع أجهزة ذات مصفوفة كبيرة باستخدام أشباه موصلات غير عضوية ونظام هجين بوليمر موصّل بالاقتران مع طبقات أحادية للمفاتيح الضوئية. 30 في النهج التصاعدي للإلكترونيات الجزيئية 31 تم استكشاف العديد من الأساليب الأخرى. 32 العمل الرائد الذي قام به فريق Heath and Stoddart على الأجهزة القائمة على rotaxane 33 واستخدام المفاتيح البديلة مثل azobenzenes و spiropyrans يتبادر إلى الذهن على الفور. من الواضح الآن أن الجزيئات القابلة للتحويل بين الصور والأكسدة والاختزال هي أرض اختبار خصبة لتخزين المعلومات المحتملة ، والاستشعار ، والإلكترونيات الجزيئية ، والتصوير ، والأنظمة البصرية سريعة الاستجابة والمواد الذكية.

يسمح إدخال المفاتيح الضوئية في المكونات المصممة للخضوع للتجميع الذاتي ببناء أنظمة فوق الجزيئية يمكنها التكيف وإعادة التكوين استجابةً لإشارة ضوئية خارجية. على سبيل المثال ، شكلت وحدة bisthioxanthylidene النشطة في الصورة والأكسدة جوهر الأمفيفيلات المصممة خصيصًا لتشكيل أنابيب نانوية عالية الاستقرار (الشكل 3 أ). باتباع هذا النهج ، تم الحصول على كائنات نانوية متعددة المكونات ذاتية التجميع ، أي الأنابيب النانوية المغطاة بالحويصلات والحويصلات المضمنة في الأنابيب النانوية ، ويمكن التحكم في تفكيك هذه الأنظمة فوق الجزيئية سريعة الاستجابة باستخدام الضوء. 35 أدى التعديل الهيكلي الطفيف لهذه الأمفيفيلات المستجيبة للصور إلى تحكم بصري ثنائي الاتجاه في التوتر السطحي في طبقات لانجموير. أخذ هذا التصميم خطوة إلى الأمام ، فقد استخدمنا مؤخرًا الألكينات المكتظة لتحقيق انتقال الأنابيب النانوية إلى الحويصلة إلى الحويصلة إلى انتقالات الأنابيب النانوية التي توضح سلوكًا تكيفيًا أكثر تعقيدًا حيث يستجيب النظام للضوء والحرارة بسلوك قابل للعكس تمامًا (الشكل 3 ب). 37 جيلات الجزيئات الصغيرة هي فئة أخرى من الهياكل الرائعة التي درسناها في سياق التجميع الذاتي المتجاوب. على سبيل المثال ، سمحت آلات الهلام القائمة على بيساميد مع وحدات أساسية قابلة للتحويل الضوئي من ثنائي إيثيلين بالتعديل بين العديد من حالات الهلام المتميزة. 19 ، 38 أحد الجوانب المثيرة للاهتمام لهذه المواد الهلامية المستجيبة للضوء هو ملاحظة الركام غير المستقر الذي يتم تشكيله بطريقة غير غازية (استجابة للإشعاع بالضوء) مما يهيئ مرحلة للتجميع غير المتوازن للمواد اللينة. من المحتمل أن يوفر دمج وظائف التبديل الجوهرية في الأنظمة فوق الجزيئية والجزيئات الكبيرة فرصًا رائعة للمواد سريعة الاستجابة والأسطح الذكية للتطبيقات المستقبلية مثل توصيل الأدوية أو نمو الخلايا أو الطلاءات سريعة الاستجابة.

كائنات نانوية ذاتية التجميع سريعة الاستجابة للضوء. أ) الأمفيفيلات القائمة على ثنائي ثيوكسانثيليدين والتي تتجمع ذاتيًا في الأنابيب النانوية والأنابيب النانوية المغطاة بالحويصلات. ب) البرمائيات المزدحمة القائمة على الألكين والتي يمكن أن تخضع للأنابيب النانوية للحويصلة إلى الحويصلة إلى انتقالات الأنابيب النانوية.

كان إنشاء صمام نانوي يمكننا من خلاله التحكم في النقل عبر الأغشية الاصطناعية أو توصيل الجزيئات عند الطلب من الحويصلات أو الكبسولات الأخرى هدفًا جذابًا آخر في برنامجنا على المفاتيح الجزيئية. لتحقيق هذا الهدف ، ركزنا على مجمع بروتين MscL للقناة الحساسة ميكانيكيًا للتوصيل الكبير من غشاء الخلية بكتريا قولونية (الشكل 4). 39 هذا النظام الببتيد الخماسي حساس للضغط الأسموزي يفتح مسام 3-4 نانومتر مما يسمح للمواد بالتدفق خارج الخلية مما يمنع تلف الخلية. باستخدام التعديل الوراثي ، تم إدخال خمسة شقوق من السيستين في مواقع محددة في منطقة انقباض مركب البروتين وتمكين شقوق ثيول من ربط المحولات الضوئية. بعد الفشل الأولي في تحقيق استجابة مناسبة في نظام biohybrid ، ركزنا على المحولات الضوئية spiropyran. كان المنطق هو أن التبديل الناجم عن الضوء أدى إلى فتح وحدات سبيروبيران الصلبة إلى شكل ميروسيانين zwitterionic وأكثر مرونة في وقت واحد مما يعزز المحبة للماء. كان من المتوقع أن يؤدي التنافر الكهروستاتيكي للوحدات zwitterionic الخمس والميل المعزز لتجنيد جزيئات الماء بالقرب من منطقة الانقباض لمجمع البروتين إلى تغيير تكوين كافٍ لفتح مسام مجمع البروتين MscL. تم إثبات التضمين الناجح للوحدات الفوتوكرومية spiropyran والأداء السليم لمفاتيح الصور في بروتين MscL المعدل ، لكنه تطلب دراسات فسيولوجيا كهربية واسعة النطاق باستخدام تقنيات تثبيت التصحيح لإنشاء فتح وإغلاق محرض ضوئيًا (باستخدام أطوال موجية مميزة من الضوء) من MscL nanopore. جاء الاختبار الحاسم بنظام تم فيه دمج هجين MscL المستجيب للضوء في غشاء حويصلة عملاقة. أظهرت قياسات تدفق كالسين الانتقال من الحويصلات عند التشغيل بالضوء والأداء السليم لـ MscL المعدل كصمام نانو مستجيب للضوء. ركزت دراسات المتابعة على قنوات MscL الحساسة للأس الهيدروجيني 40 ودمج المحولات الضوئية في قنوات Sec-Y للتحكم في نقل البروتين عبر الأغشية بالضوء. 41 توفر القدرة على التحكم في النقل الجزيئي من الكبسولات ، مثل الحويصلات التي تمت مناقشتها هنا ، من خلال المسام النانوية المستجيبة للضوء فرصًا كبيرة لتصميم أنظمة مستجيبة للتحكم في توصيل الدواء أو مواد الشفاء الذاتي.

الحويصلة العملاقة ذات المسام النانوية المستجيبة للضوء استنادًا إلى مركب بروتين MscL المصمم هندسيًا مع وحدات spiropyran الفوتوكرومية الجوهرية كنظام توصيل.

علم الأدوية الضوئية

يوفر الضوء فرصًا رائعة كعنصر تنظيمي غير جراحي في التطبيقات البيولوجية والطبية الحيوية. مع وجود مجموعة متنوعة من مفاتيح التبديل الضوئية الجزيئية المتاحة ، فإن نهجًا جديدًا للتحكم في نشاط الدواء ديناميكيًا في متناول اليد مع إمكانية تجاوز المشكلات الرئيسية المرتبطة بانتقائية الدواء. 20 ، 42 ، 43 يمكن توصيل الضوء بدقة زمنية مكانية عالية ، وهي ميزة أساسية لضبط عمل الجزيئات النشطة بيولوجيًا. إنه يظهر درجة عالية من التعامد وعادة ما تكون سمية منخفضة وهي جوانب جذابة من أجل تنظيم العمليات البيولوجية. من خلال ضبط الطول الموجي والشدة ، يمكن التحكم في عمليات التحويل بسهولة بطريقة كمية. تمت صياغة مصطلح علم الأدوية الضوئية لهذا النهج ، 42 لأنه يعتمد على المركبات النشطة بيولوجيًا ذات الجزيئات الصغيرة ذات الوظائف الجوهرية القابلة للتحويل الضوئي بالفعل إلى عقار يمكن تنشيطه / إيقافه بالضوء (الشكل 5). بالطبع يتطلب المنظور الواضح لعلم الأدوية الضوئية إدراك أن الجزيئات المستجيبة للضوء قد شهدت تطبيقًا واسعًا في الطب الحيوي. أصبح العلاج الضوئي الديناميكي واستخدام تقنيات التصوير الفلوري المتطورة أمرًا روتينيًا في العيادة ، بينما توفر علم البصريات الوراثي ، ولا سيما للتحكم في الوظائف العصبية ، والمجموعات القابلة للفك ضوئيًا لتنشيط العقاقير الأولية للعلاج الدقيق فرصًا مثيرة.

أ) علم الأدوية الضوئية ، التبديل بين التشغيل والإيقاف للنشاط البيولوجي لعقار جزيء صغير. ب) مضاد حيوي مستجيب للضوء يحتوي على سيبروفلوكساسين. ج) نمذجة النمو البكتيري والتناظرية المستجيبة للضوء لمثبط بروتوزوم بورتيزوميب.

تعتبر مقاومة المضادات الحيوية مشكلة مجتمعية عالمية ملحة بشكل متزايد مع العديد من الاستراتيجيات التي يتم اتباعها الآن للتغلب عليها وتجنبها. كان النهج المفاهيمي الذي اتخذناه هو تشغيل نشاط المضادات الحيوية (رابطة الدول المستقلة-isomer) وخارجها (عبر-isomer) باستخدام الضوء من خلال عناصر تبديل الأزوبنزين المدمجة في المضادات الحيوية واسعة الطيف القائمة على الكينولون. 44 مكّن هذا التصميم من التنشيط الضوئي للمضادات الحيوية المستجيبة وتم إثباته في نمذجة نمو البكتيريا على الألواح باستخدام تقنيات القناع الضوئي. إن ثروة الخبرة التي اكتسبها مجتمع الفوتوكرومية العضوية على مدار القرن الماضي ضرورية في مثل هذه الجهود ، مع ضبط عقلاني للاستقرار الحراري للضوء. رابطة الدول المستقلة- أيزومر من خلال التعديلات الهيكلية لإتاحة الوقت اللازم للعودة إلى حالة الإيقاف ليتم التحكم فيها بدقة. يوفر إثبات مبدأ المضادات الحيوية التي يتم تنشيطها بالضوء إمكانية تعزيز الفعالية من خلال العلاج عالي الدقة عند نقطة الإصابة وتجنب الآثار الضارة للمضادات الحيوية على البكتيريا المفيدة في الكائن الحي. يمكن القول إن الاحتمال الأكثر أهمية هو أن نشاط المضادات الحيوية يتم إيقافه تلقائيًا في غضون وقت معين بعد العلاج مما يوفر طريقة غير تقليدية لمحاربة تراكم المقاومة البكتيرية تجاه المضادات الحيوية.

بعد وضع مبدأ المضادات الحيوية القابلة للتحويل الضوئي وتطبيق ذلك على نمذجة نمو البكتيريا باستخدام تقنيات القناع الضوئي ، كنا متحمسين باحتمالية التداخل غير الغازي مع الاتصالات البكتيرية. 45 تعتمد البكتيريا على الاتصال من خلال استشعار النصاب (QS) لمزامنة عمليات التعبير الجيني الضرورية ، على سبيل المثال ، تكوين الأغشية الحيوية. قمنا بدمج وحدات azobenzene الضوئية في ناللاكتونات -acyl homoserine ، وهي فئة مهمة من المحفزات التلقائية QS الجزيئية الصغيرة التي تلعب دورًا في نظام الاتصال للبكتيريا سالبة الجرام. تم تحديد جزيئين QS قابلين للتحويل يظهران تأثيرات معاكسة تحت إشعاع الأشعة فوق البنفسجية في فحوصات التلألؤ الحيوي باستخدام بكتريا قولونية إما اكتساب أو فقدان نشاط QS عليه عبررابطة الدول المستقلة أزمرة وحدة الآزوبنزين. تم استخدام هذه المركبات أيضًا للتحكم في التعبير عن جينات الفوعة في الزائفة الزنجارية بالضوء. تقدم هذه النتائج نهجًا جديدًا للتحكم في نمو البكتيريا وتكوين الأغشية الحيوية.

العلاج الضوئي الديناميكي له تاريخ طويل في علم الأورام ، في المقام الأول من خلال استراتيجيات توليد الأكسجين المفرد. العوامل المضادة للأورام ذات الاستجابة الضوئية حيث يتم الجمع بين استخدام الضوء والتبديل الجزيئي لنشاط الدواء ، تخيلنا أنه يمكن أن يوفر فرصًا هائلة للعلاج الدقيق من خلال التحكم في وظيفة الدواء. كدليل على الدراسة الأساسية ، ركزنا على Bortezomib ، وهو عامل علاج كيميائي في الاستخدام السريري ، والذي تم تعديله باستخدام شكل الآزوبنزين. 46 يمكن تبديل النشاط البيولوجي بين النشاط القوي (عبر- أيزومر) وضعيف (رابطة الدول المستقلة-isomer) تثبيط البروتياز باستخدام الأشعة فوق البنفسجية والضوء المرئي ، على التوالي. بدلاً من إيقاف النشاط المضاد للورم بالضوء ، فإن الوظيفة المرغوبة أكثر بكثير هي تشغيل النشاط البيولوجي. تم تحقيق ذلك باستخدام نسخة معدلة من الآزوبنزين من SAHA ، وهو مثبط هيستون ديستيلاز (HDAC) المستخدم في العلاج الكيميائي المضاد للسرطان. 47 هنا يمكن الوصول إليها ضوئيًا أقل استقرارًا رابطة الدول المستقلة- الأيزومر نشط تقريبًا (في المختبر) مثل الدواء المطبق سريريًا ويعود إلى الشكل غير النشط إما عن طريق تشعيع الضوء المرئي أو عملية الأزمرة الحرارية ، والتي يمكن التحكم في معدلها عن طريق التصميم الجزيئي. يمكن أن توفر هذه الأساليب حلولًا غير تقليدية للتخفيف من الآثار الجانبية الشديدة في كثير من الأحيان لعوامل العلاج الكيميائي شائعة الاستخدام. السيناريو الجذاب الخاص هو الاستخدام المباشر للمعلومات المكتسبة من خلال تقنيات التصوير الحديثة لتوجيه التنشيط الخفيف لعامل العلاج الكيميائي القابل للتحويل من أجل العلاج عالي الدقة ، على سبيل المثال ، الأورام الصغيرة التي يتعذر الوصول إليها. بالطبع ، يجب التأكيد على أنه قبل الاستخدام السريري لاستراتيجيات تبديل الأدوية هذه ، يجب التغلب على العديد من العقبات.

حددنا العديد من التحديات بما في ذلك الفعالية العالية للأدوية من النظائر المستجيبة للضوء ، توصيل الدواء ، والأهم من ذلك ، الأطوال الموجية للضوء التي يجب تطبيقها ، أي أن التشعيع بالضوء المرئي / القريب من الأشعة تحت الحمراء ضروري لتجنب الآثار الجانبية وتمكين اختراق الأنسجة العميقة. ركزت عدة مجموعات مؤخرًا على تصميم المحولات الضوئية التي تعمل في النافذة العلاجية ذات الأهمية في التطبيقات الطبية الحيوية. باستخدام مثل هذه المبادئ ، قمنا بتصميم مثبطات الخلايا البدينة القوية القابلة للتحويل الضوئي 49 بينما أبلغت مجموعات أخرى عن حدوث ألم قابل للتحويل الضوئي ، وتثبيط الكربونيك الأنهيدراز البشري ، وانقسام الخلايا والتحكم في العمليات العصبية من بين أمور أخرى توضح النطاق الواسع وإمكانات علم الأدوية الضوئية. 42 ، 43 ، 50 قد تكون الخطوة التالية في مواجهة التحديات المستقبلية والوصول إلى علاجات طبية أكثر فاعلية هي تصميم أنظمة استجابة أكثر تعقيدًا يتم فيها الجمع بين الاستشعار والنقل والتسليم والعمل العلاجي مع وظائف متعددة يمكن معالجتها بشكل متعامد مع محفز خارجي. في الآونة الأخيرة ، اتخذنا الخطوات الأولى نحو التحكم المتعامد الانتقائي للغاية في الأنظمة متعددة الوظائف باستخدام مجموعات قابلة للفك الضوئي أو الصور القابلة للتحويل. 51 يجب التأكيد على أن هناك فرصًا كبيرة للجمع بين المفاتيح الكهروضوئية ووظائف التحويل المختلفة الأخرى. سوف يفتح التنظيم الصعودي والأسفل غير الغازي للمسارات الكيميائية والبيولوجية التنافسية في الشبكات الجزيئية المعقدة (الحيوية) فرصًا رائعة في علم الأحياء الكيميائي ودراسة الأنظمة الجزيئية الديناميكية. 50

المحركات الجزيئية

مهد عملنا على الألكينات المزدحمة 23 والمفاتيح الجزيئية chiroptical 24 الطريق لاكتشاف أول محرك دوار أحادي الاتجاه يعمل بالضوء 52 (انظر الخط الزمني في الشكل 2). تعد Chirality أساسية للوظيفة ، ومن الملائم أن يتم تخصيص بضعة أسطر للظاهرة الرائعة التي هي الكيمياء الفراغية ، والتي أبهرتني طوال مسيرتي العلمية بأكملها. وقفت على أكتاف أول حائز على جائزة نوبل في الكيمياء Jacobus van't Hoff الذي كان ، إلى جانب LeBel ، الأب المؤسس للكيمياء الفراغية ، واستلهم من علماء مثل كرام وميسلو وبريلوج ووينبيرج وإيلييل. استكشاف chirality كمقبض للتحكم في البنية والوظيفة التي تتراوح من التحفيز غير المتماثل إلى الآلات الجزيئية. هنا مرة أخرى ، تمهد الطبيعة الأم المسرح ، حيث تلعب المثلية الجنسية دورًا مركزيًا في جزيئاتها الأساسية كما أكد ألبرت إشنموسر ، "تشيراليتي هي سمة الحياة". لبناء محرك دوار جزيئي ، كانت الأسئلة الأساسية التي نواجهها هي كيفية تحفيز الحركة الدورانية وكيفية التحكم في الدوران الأيمن (في اتجاه عقارب الساعة) أو اليسار (عكس اتجاه عقارب الساعة) على المقياس النانوي. سمحت لنا الكيمياء الفراغية الفريدة لجزيئات المحرك بمواصلة استكشافنا في الاتجاه الصحيح.

الجيل الأول من المحركات الدوارة التي تعمل بالضوء

يحتوي أول محرك دوار أحادي الاتجاه مدفوع بالضوء تم الإبلاغ عنه في عام 1999 ، كما هو موضح في الشكل 6 ، على عنصرين كيميائيين مجسمين متميزين: هيكل حلزوني (ص أو م حلزونية كما هو الحال في مفاتيح chiroptical) و stereocenters (ص أو س) في كل من النصفين العلوي والسفلي 52 يمكن لبدائل الميثيل ، التي تم تقديمها في الأصل لغرض التحديد الكيميائي الفراغي المطلق ، أن تتبنى اتجاهًا محوريًا زائفًا أو اتجاهًا استوائيًا زائفًا. كشفت تجارب التبديل الكيميائي الضوئي عن نتيجة مفاجئة: كان الانقلاب الحلزوني كما تم اكتشافه بواسطة التحليل الطيفي للقرص المضغوط مرتبطًا بشكل شائع بـ عبررابطة الدول المستقلة أزمرة في مفاتيحنا chiroptical ولكن في هذه الحالة ، أشارت قياسات القرص المضغوط إلى نفس الحلزونية لمواد ومنتج البداية. كشفت دراسات الرنين المغناطيسي النووي والدراسات الكيروبتيكية والحركية ، المدعومة بالحسابات ، عن "الأيزومر المفقود" وعملية متسلسلة من الأيزومر الضوئي من المستقر. عبر غير مستقر رابطة الدول المستقلة متبوعًا بانعكاس حلزوني حراري إلى مستقر رابطة الدول المستقلة. يمكننا أن نظهر أن المادة الكهروضوئية المتولدة غير مستقرة رابطة الدول المستقلة- يحتوي الأيزومر على مجموعات الميثيل في اتجاه زائف استوائي مزدحم بشكل معقّم وبواسطة انعكاس اللولب لاستعادة الاتجاه المحوري الزائف ، يتم تخفيف الضغط. مع هذا الاكتشاف المفاجئ لعملية دوارة أحادية الاتجاه بزاوية 180 درجة ، تستند إلى أزمرة ألكين كيميائية ضوئية شاقة بقوة متبوعة بانعكاس حلزوني حراري شديد الانحدار ، أدركنا بسرعة أن دورة دوارة أحادية الاتجاه كاملة كانت في متناول اليد بمجرد تكرار العملية المكونة من خطوتين. الجمع بين أربع خطوات ، خطوتين كيميائيتين ضوئيتين فائقتي السرعة 6 ، 53 متبوعة بخطوة حرارية لتحديد المعدل ، تضيف ما يصل إلى 360 درجة دورة دوارة أحادية الاتجاه يمكن تكرارها عدة مرات. يحتوي هذا النظام على جميع خصائص المحرك الدوار ذو السكتة الدماغية 6 ، ويتم تحقيق 52 حركة دورانية ، تغذيها الطاقة الضوئية ، ويظهر التحكم في الاتجاه ، وهي عملية دورانية متكررة.

محرك جزيئي دوار يعمل بالضوء من الجيل الأول وأربع مراحل دورة دورانية.

من المثير للاهتمام أن نلاحظ هنا أن آلية أنابينا ترتبط أنظمة رودوبسين الحسية التي تستجيب للضوء ارتباطًا وثيقًا بمحركنا الاصطناعي كما كشف مؤخرًا الفريق بقيادة شركة Olivucci. 54 مرة أخرى ، يتم تضمين اثنين من الأيزوميرات الضوئية للأوليفين وتحولين حراريين للتوافق اللولبي في دورة دوارة من أربع خطوات في هذا الإدراك البيولوجي للمحرك الجزيئي الدوار الذي يؤكد على ما يبدو أنه عدد لا حدود له من التصميمات الأنيقة في الطبيعة نحو تحقيق وظائف معقدة.بعد اكتشافنا الأولي ، تم تصنيع عدد كبير من الجيل الأول من المحركات الدوارة في مجموعتنا 55 من أجل تعزيز سرعة الدوران ، وتحويل أطوال موجات الامتصاص إلى المنطقة المرئية وإرفاق مجموعات وظيفية. 6 ، 56 من خلال التغيير المنهجي في المعلمات الساكنة ، وخاصة عن طريق توسيع "منطقة المضيق البحري" لتسهيل انعكاس اللولب الحراري لتحديد المعدل وعن طريق تغيير حجم البدائل في المراكز المجسمة ، تم تحسين سرعة الدوران من دورة واحدة في الساعة إلى ثوان. ومع ذلك ، تجدر الإشارة في هذه المرحلة إلى أن السرعات الدورانية الكلية وكفاءة المحركات الجزيئية التي يحركها الضوء تعتمد بشدة على معلمات مثل مدخلات الطاقة والعائد الكمي والتأثيرات المتوسطة وحبس السطح.

من القضايا المهمة التي كنا نواجهها في ضوء التطبيق المحتمل لوظيفة التحكم في المحركات الدوارة هي إلى أي مدى سيؤثر المتوسط ​​والحجم على السلوك الدوار. تم تحضير سلسلة من محركات الجيل الأول بقضبان معلقة ذات أطوال ومرونة مختلفة ، وتم تحديد المعلمات الحركية والديناميكية الحرارية لعمليات الأزمرة الحرارية. كشفت هذه الدراسات أن لزوجة المذيب هي العامل المهيمن الذي يظهر تخلفًا قويًا للأذرع الأطول صلابة. يُظهر تحليل جزء الجزيء المتضمن في العملية الدورانية من حيث نموذج الحجم الحر وإزاحة المذيب عامل ألفا مرتفعًا بشكل استثنائي لهذه المحركات. أكد توسيع هذه الدراسات إلى ديناميكيات الحالة المثارة لعملية الأزمرة الكيميائية الضوئية ، بالتعاون مع الفرق بقيادة Meech and Browne ، أن الأزمرة والاسترخاء إلى الحالة الأرضية مستقلان إلى حد كبير عن القطبية ولكنهما تحكمهما لزوجة المذيب. 53

المحركات الجزيئية مناسبة تمامًا لدفع الأنظمة بعيدًا عن التوازن. في الآونة الأخيرة ، قمنا بتطوير طائرات هليكوبتر ذاتية الاستجابة تعمل بمحرك والتي يمكنها إعادة التكوين بين حالات الجزيئات الفائقة المتميزة. استلهامًا من طائرات الهليكوبتر النحاسية المزدوجة التي تم تجميعها ذاتيًا والتي ابتكرها Lehn ، فقد أدخلنا روابط وظيفية تشبه القضيب (oligo-) bipyridine إلى محركات الجيل الأول. 58 عند ربط النحاس (I) يتم الحصول على كل من الهليكوبتر النحاسية المونومر والقليلة ، وتتيح عمليات الأزمرة الكهروضوئية والحرارية التحويل البيني بين حالات التجميع المختلفة والمروحيات في هذه التجميعات الديناميكية المعقدة.

الجيل الثاني من المحركات الدوارة التي تعمل بالضوء

نظرًا لأن خطوتي الأزمرة الحرارية في محركات الجيل الأول تحتوي عادةً على حواجز مميزة جدًا ، فقد صممنا سلسلة كبيرة من محركات الجيل الثاني لتحقيق سلوك دوراني أكثر انتظامًا وتسهيل التعديل الكيميائي. 59 يوجد مركز مجسم واحد في النصف العلوي من هذه الأنظمة ، وكما هو الحال في محركات الجيل الأول ، فإن الأزمرة الكيميائية الضوئية حول محور الرابطة المزدوجة تولد أيزومرًا غير مستقر مع بديل الميثيل في شكل شبه استوائي للطاقة أعلى. يتم تحرير الإجهاد في الأزمرة الحرارية اللاحقة مع تبني مجموعة الميثيل مرة أخرى اتجاهًا محوريًا زائفًا مواتًا. لقد كان مجزيًا للغاية ونقطة أساسية في برنامجنا الحركي ، لإثبات أن مركزًا مجسمًا واحدًا يحمل بديل ميثيل صغير يكفي للتحكم في دورة دوارة أحادية الاتجاه تتميز بأربع خطوات انعكاس حلزونية وأربع حالات شبه متجانسة كما تم الكشف عنها بواسطة NMR و CD التحليل الطيفي. في تصميم المحرك من الجيل الثاني ، يُشتق النصف السفلي للجزء الثابت من وحدة ثلاثية الحلقات متماثلة (باستثناء البدائل) ، والتي توفر مزايا متميزة. أولاً ، يكون حاجز انعكاس اللولب هو نفسه تقريبًا في كلتا الخطوتين الحراريتين للدورة الدورانية مما يقلل بشكل كبير من التعقيد في جهودنا لتسريع معدلات الدوران الإجمالية. ثانيًا ، الاختلاف المتأصل بين الوظائف الانتقائية لمرافق الجزء الثابت والدوار ، على سبيل المثال ، لتجميع السطح (انظر أدناه). الجانب الثالث المهم هو أنه يمكن تصنيع كل من الأجزاء الدوارة والجزء الثابت بشكل مستقل ، الأمر الذي ثبت أنه مهم بشكل خاص لتركيب المحركات المعقدة (الوظيفية). سمح هذا أيضًا باستخدام تعديل بارتون كيلوج في عملية أوليفشن ستودينجر ديازو-ثيوكيتون كطريقة مفضلة لإدخال المرحلة المتأخرة من الرابطة المزدوجة المركزية (المحور الدوار) في التركيب الكلي. باستخدام فئات مختلفة من محركات الجيل الثاني ، تم إجراء تباين هيكلي منهجي لتوضيح المعلمات التي تحكم سرعة الدوران. 60 مثال محركات الجيل الثاني القائمة على الفلور هو توضيح للتسارع الذي يمكن تحقيقه عن طريق تعديل حجم الحلقة والبدائل مما ينتج عنه محرك بعمر نصف يبلغ 5.7 مللي ثانية عند درجة حرارة الغرفة (الشكل 7).

أ) الجيل الثاني من المحركات الجزيئية الدوارة. ب) ضوء مرئي مدفوع بمحرك Ru II -bipyridine من الجيل الثاني.

قدمنا ​​مؤخرًا طريقة بديلة للتحكم في السرعة الدورانية للمحركات الجزيئية عن طريق استبدال جزء الجزء الثابت من الفلور عن طريق إدخال جزء 4،5-diazafluorenyl ligand. 61 سمح ذلك بربط أيونات المعادن بأحجام مختلفة ونتيجة للتنسيق المعدني تتغير زوايا الرابطة وكذلك الحاجز لانعكاس اللولب الحراري. كان للضبط الدقيق للسرعة الدورانية عند ربط المعادن ذات الأحجام المختلفة فائدة إضافية تتمثل في أنه يمكننا إحداث التشابك الضوئي بالضوء المرئي.

كان النهج المختلف لتحقيق محركات جزيئية مدفوعة بالضوء المرئي هو استخدام محسّسات ميتالوبورفيرين ، بما في ذلك Pd-porphyrin المتصل تساهميًا كهوائي للمحرك ، مع الاستفادة من نقل الطاقة بين الجزيئات أو داخل الجزيئات لدفع الحركة الدورانية. 62

التحكم الديناميكي في الوظيفة

لقد اعتبرنا أن التحدي الرئيسي التالي في برنامجنا الحركي ، في طريقنا إلى السلوك الجزيئي الشبيه بالآلة ، هو كيفية التحكم الديناميكي في الوظيفة والسماح بتنفيذ مهام محددة. هيكل محركات الجيل الأول والثاني مناسب بشكل خاص لإدخال المجموعات الوظيفية التي تسمح ، على سبيل المثال ، الخصائص الفيزيائية والمسافة والتعاون والكيمياء الفراغية بالتعديل بطريقة موجهة ومتسلسلة. يظهر مثال توضيحي لمحفز مراوان متجاوب يعتمد على محرك دوار في الشكل 8 ، 63 المستوحى من محفزات جاكوبسن العضوية اللولبية مع DMAP وشقوق ثيوريا التي تم إدخالها في عبر- أيزومر لمحرك معين من الجيل الأول.

التحكم الديناميكي في الفضاء اللولبي في محفز عضوي جزيئي قائم على المحرك.

هنا ، لا تتعاون الأجزاء المانحة والمقبلة للهيدروجين بشكل فعال مما يؤدي إلى نشاط محفز منخفض ومنتج عنصري من إضافة 1.4-thiol. ينتج عن التشعيع تكوين رابطة الدول المستقلة-ايزومير مع م- يمكن أن تتعاون - اللزوجة والشقوق التحفيزية. نتيجة لذلك ، يتم تعزيز النشاط التحفيزي بشكل كبير وكذلك التكوين التفضيلي لـ ص-مصافي المنتج. تؤدي الخطوة الحرارية التالية في الدورة الدورانية إلى رابطة الدول المستقلة-ايزومير مع ص-هوية و س-مقاوم لمنتج التفاعل الحفزي. في هذه الحالة ، يعمل المحفز العضوي اللولبي القائم على المحرك كمفتاح متعدد الحالات لا يسمح فقط بتعديل النشاط التحفيزي ولكن أيضًا تكوين عنصر راسيمي (ص,س) أو أحد المتصاهرين (ص و س) بطريقة تعتمد على التسلسل. يتم التحكم في تسلسل الأحداث بدقة عن طريق الدوران في اتجاه عقارب الساعة أو عكس اتجاه عقارب الساعة لوحدة المحرك. تم توسيع هذه المفاهيم لاحقًا في تصميم المحفزات العضوية المستجيبة لتفاعلات مايكل وهنري غير المتماثلة. كانت الخطوة التالية المهمة هي إثبات مفهوم الفوسفينات القابلة للتحويل على أساس المحركات الدوارة كما هو موضح في تفاعلات عدم التناسق المحفزة Pd شديدة الانتقاء. 65 مرة أخرى اعتمادًا على إشارة الدخل الخارجية (الضوء أو الحرارة) يمكن الوصول إلى الأيزومرات الفراغية المتميزة للمنتج باستخدام محفز واحد (متجاوب). إن جلب مبدأ المحفزات اللولبية القابلة للتحويل في مجال التحفيز المعدني الانتقالي يفتح العديد من السبل الجديدة بما في ذلك التحولات متعددة المهام والمتتالية ، والسلوك التكيفي والمتجاوب ، وفي النهاية تنظيم النشاط التحفيزي لأعلى / لأسفل في الشبكات التحفيزية المعقدة. وتجدر الإشارة إلى أن التحكم الديناميكي في الوظيفة لا يقتصر على التحفيز كما أوضحنا على سبيل المثال في تعديل تفاعلات السبين والدوران 66 و 67 هلام 68 وتكوين ألياف الأميلويد 69 والتعرف اللولبي وربط الفوسفات. 70 العرض التوضيحي الأخير لنقل البضائع بين الجزيئات 70 ومجموعة متنوعة من المهام الميكانيكية الأخرى التي تظهر بأناقة من قبل مجموعات Sauvage و Stoddart و Leigh و Guiseppone و Harada و Aida وغيرها ، توضح إمكانات الوظائف الجزيئية الشبيهة بالآلة.

الحركة بمقاييس أطوال مختلفة

تم تخصيص جزء كبير من برنامجنا البحثي حول المحركات الجزيئية للتحكم في الحركة واستخدامها وتصورها بمقاييس أطوال مختلفة (الشكل 9). كما هو واضح من المحرك الدوار ATPase المضمن في غشاء الخلية والميوسينات التي تتحرك على طول خيوط الأكتين ، فإن معظم المحركات البيولوجية تعمل في واجهات. لقد اعتبرنا خطوة حاسمة في تصميم الأجهزة الجزيئية القائمة على المحركات الدوارة ، وتجميعها على الأسطح والتفاعل مع الأنظمة العيانية. تُعد محركات الجيل الثاني مناسبة بشكل خاص لأن الجزء الثابت يسمح بإدخال "أرجل" مختلفة لتثبيت السطح ، مما يترك الجزء المتحرك حراً للخضوع لحركة دوارة مدفوعة بالضوء (الشكل 9). 71 فشلت محاولاتنا الأولية ذات الأرجل القصيرة ومجموعات الثيول للتجميع الذاتي على Au بسبب إخماد مسارات أزمرة الحالة المثارة للمحرك بالسطح ولكن تمديد الأرجل بشقوق هيدروكربونية (رفع المحرك من السطح) حل المشكلة . أدى وجود ساقين إلى منع الحركة غير المنضبطة لجزيء المحرك بأكمله بينما سمحت المرونة التوافقية الكافية بحركة الدوار غير المنقوصة. أتاح هذا التصميم التجميع الذاتي للمحركات الدوارة على جسيمات Au النانوية وأسطح Au المسطحة مما أدى إلى إنشاء أول "حديقة طاحونة نانوية" تعمل بالضوء. 72 وكان أيضًا الأساس لعدة سنوات من دراسات التوليف وعلوم السطح من أجل تصميم مجموعة متنوعة من الواجهات المتجاوبة. وشمل ذلك تجميع المحركات في اتجاهات سمتية وطولية على الكوارتز ، Au ، وما إلى ذلك ، والتثبيت بوحدات ثنائية أو ثلاثية أو رباعية الأرجل على السطح للتحكم في الصلابة والتوجه فيما يتعلق بالسطح والتباعد بين المحركات الفردية على السطح. يوضح المحرك المرتبط بالسطح الموضح في الشكل 9 المفهوم بأناقة التثبيت ثلاثي الأرجل وحجمه والاتجاه الطولي لا يتيح فقط التشغيل السليم للمحركات الفردية ولكن أيضًا التوجيه الديناميكي لشق بيرفلورو ألكيل الكارهة للماء باتجاه السطح أو بعيدًا عنه. وبهذه الطريقة ، يتم تحقيق سلوك الاستجابة الضوئية للسطح بسهولة والتحكم فيه بدقة ، مما يسمح بتعديل كل من السماكة وقابلية التبلل بالضوء. 73 نقوم حاليًا بفحص الوظيفة الدوارة للمحركات الفردية المُجمَّعة على الأسطح ، باستخدام تقنيات الفلورسنت أحادية الجزيء ، لتقليد التجارب الأنيقة على تصور حركة الدوران لمحركات بروتين ATPase الأحادية. 74

التحكم في الحركة عبر مقاييس الطول المختلفة.

كان هدفنا التالي هو تضخيم الحركة من المستوى الجزيئي إلى المستوى المتوسط ​​والمجهري. تبين أن المحركات الدوارة القائمة على الألكين المزدحمة ، نظرًا لبنيتها غير المتماثلة المتأصلة و chirality الحلزونية ، هي مواد عديمة التناظر ممتازة للمواد البلورية السائلة (LC). تم الحصول على أفلام LC الملتوية (الكوليستيرية) باستخدام كميات صغيرة (1 بالوزن ٪) من المحركات الدوارة وعند التشعيع تم تضخيم التغيير في chirality حلزونية المحركات للحث على تغييرات ديناميكية في التنظيم فوق الجزيئي في الفيلم mesoscopic وكذلك السطح في السطح البيني LC- الهواء. سمحت أفلام LC المتجاوبة هذه بتغيير اللون من خلال الطيف المرئي بالكامل (تكوين بكسل اللون) ودوران الكائنات الدقيقة التي تطفو على سطحها الناعم بمعنى أحادي الاتجاه عند الإضاءة ، مما أدى إلى تضخيم بأكثر من أربعة أوامر من حيث الحجم. 75 كانت هذه الاكتشافات علامة فارقة في بحثنا الحركي لأول مرة لاحظنا تجليات الحركة الدوارة المستقلة بالعين المجردة الناتجة عن الوظيفة الديناميكية لمحرك دوار جزيئي. كما أنها أرست الأساس لإعادة التنظيم الديناميكي داخل وعلى سطح قطرات LC الدقيقة الناتجة عن الضوء. 76

الطريقة الثانية لتضخيم الحركة هي عبر الجزيئات الكبيرة الديناميكية مع منظور تصميم مواد بوليمر سريعة الاستجابة وميكانيكية وهي الألياف والشبكات والمواد الهلامية والأفلام. على سبيل المثال ، تم تطبيق محركات الجيل الثاني التي تعمل بالأميد كمبادرين في بلمرة هيكسيليزوسيانات لتوفير بوليمر حلزوني مستجيب للضوء. 77 عند التشعيع ، تؤدي الدورة الدوارة أحادية الاتجاه لوحدة المحرك المفردة عند طرف البوليمر إلى انعكاسات اللولب في سلسلة البوليمر. هذا التضخيم للحركة يحاكي نوعًا من الوظيفة السوطية بينما يدفع الإشعاع المستمر النظام إلى حالة مستقرة خارج التوازن. تم الحصول على تصميم سطح مصفوفة كبيرة عن طريق التجميع الذاتي وأفلام LC البوليمرية المتجاوبة اعتمادًا على موضع إرساء الجزء المتحرك والجزء الثابت لسلسلة البوليمر الحلزونية. يسمح هذا التصميم بنقل الحركة واللولبية الحلزونية عبر مقاييس أطوال مختلفة على سبيل المثال ، من المستوى الجزيئي إلى المستوى العياني وأخيراً المستوى الهرمي الوسيط. يعد استخدام المحركات الدوارة في شبكات البوليمر الهلامية بواسطة Giuseppone مثالًا رائعًا آخر يوضح إمكانات المحركات الجزيئية التي تتحكم في الوظائف الميكانيكية في المواد اللينة. 78

من الحركة الدورانية إلى الحركة الانتقالية

بدأت فكرة بناء "سيارة نانوية جزيئية رباعية الدفع" من النقطة التي واجهنا فيها سؤالين أساسيين: 1) كيف نظهر حركة جزيء واحد؟ 2) كيف تحول الحركة الدورانية إلى حركة انتقالية؟ في بداية رحلتنا الطويلة ، أدى ذلك في النهاية إلى تحقيق حركة نانوية مستقلة على سطح من النحاس الأصفر ، كانت ميزات التصميم المهمة التي اكتشفناها عبارة عن إطار صلب نوعًا ما مع أربع وحدات محرك دوار من الجيل الثاني تعمل كـ "عجلات" (الشكل 10). 79 لقد تصورنا تعاونًا للمحركات التي ، نظرًا لتركيبها الحلزوني ، يمكنها أيضًا رفع الجزيء بأكمله قليلاً عن السطح ، ولكنها كافية للتغلب على تفاعلات المادة اللاصقة القوية. في جهد مشترك مع مجموعة Ernst في EMPA Zurich ، وجد أن الإثارة الكهربائية بطرف STM (عند درجة حرارة منخفضة) من ميسو-(R ، S.-R ، S.) أيزومر السيارة النانوية المترسبة على دفع مستحث بالسطح من النحاس (111) فوق السطح على طول مسار خطي أكثر أو أقل. تغيير الكيمياء الفراغية "للعجلات" ، تم تحضير متماثل واحد للسيارة النانوية مع وجود نفس الوحدات الحركية (ص ، ص-ص ، ص) - chirality. الآن تغيرت الحركة على السطح من حركة خطية إلى حركة عشوائية أو دوارة بدون ترجمة مهمة وفقًا للتوقعات على أساس اعتبارات التناظر (انظر أدناه). وتجدر الإشارة إلى أن النمذجة الجزيئية تشير إلى "نوع المشي" من الحركة للسيارة النانوية التي تذكرنا بحركة محركات بروتينات كينيسين على خيوط الأكتين. من خلال استكشاف أنظمة الدفع الجزيئي هذه ، أظهرنا وظيفة المحرك الجوهرية ، والعمل التعاوني ، والحركة المستقلة على الإثارة الكهربائية والتحكم إلى حد ما من اتجاهية الحركة على مستوى الجزيء الفردي. مع هذه النتائج ، تم إعداد المرحلة للحركة الاتجاهية المستقلة على طول المسارات ونقل البضائع.

أ) سيارة جزيئية رباعية الدفع تعتمد على نماذج المحركات الدوارة والهيكل الجزيئي وصورة STM. ب) الجيل الثالث من المحركات الجزيئية المتماثلة.

جلبتنا هذه النتائج أيضًا إلى سؤال أساسي آخر: هل chirality الجزيئية الجوهرية ضرورية لتحقيق حركة أحادية الاتجاه في محرك دوار جزيئي؟ لتجنب احتمالية متساوية للدوران في اتجاه عقارب الساعة وعكس اتجاه عقارب الساعة حول محور دوار واحد يربط الجزء الثابت والدوار ، تعتمد محركاتنا الدوارة على دوران النظام. 52 ، 59 ، 60 يجب أن نتذكر أنه في نظام متشابك ميكانيكيًا ، تم تحقيق الاتجاه في الحركة الدورانية بسبب تسلسل محدد من الخطوات الكيميائية 80 بينما يمكن للبيئة غير المتماثلة التحكم في الاتجاه في الدوارات المجمعة على السطح. 81 في محركات الألكين المزدحمة ، يتم التحكم في اتجاهية الحركة الدوارة عن طريق الانحناء النقطي لأنها تملي الانحناء الحلزوني المفضل ديناميكيًا. لتوجيه تصميمنا لمحركات الجيل الثالث ، بدأنا باعتبارات التناظر للحركة الدوارة بمقاييس الطول العيانية ، على سبيل المثال ، الحركة المتقطعة لعجلتين (سيارة) على محور (الشكل 10). 82 اتجاه الحركة الدورانية من مراقب على مستوى التناظر هو عكس بينما ، على الرغم من أن النظام بأكمله متماثل (جس، مع مستوى التماثل المرآة) ، تكون الحركة الدورانية للعجلتين على المحور فيما يتعلق بالمحيط متطابقة (على سبيل المثال ، كل من الدوران الأمامي لمراقب خارجي) مما يتيح الحركة الدورانية المنسقة للحث على الحركة الخطية الاتجاهية. ترجمة اعتبارات التناظر هذه إلى تصميم كيميائي مجسم يضم شقين دوارين مدمجين في ملف ميسو مركب ، أثبتنا أن المحرك الجزيئي المتماثل (achiral) الذي يحركه الضوء ممكن بالفعل. في ظل وجود ذرة كربون غير متماثلة زائفة تحمل بدائل ميثيل وفلور ، والتي ثبت أنها ذات حجم مختلف بما يكفي للتحكم في الاتجاه ، تم تحقيق حركة متقطعة حصرية لقطعتين دوارتين ملحقة. إلى جانب توفير رؤية مهمة حول كيفية التحكم في حركة المقياس النانوي ، فإن محركات الجيل الثالث هذه مناسبة بشكل خاص لبناء جرارات جزيئية ومواد سريعة الاستجابة.

المحركات التحفيزية وأنظمة الدفع

على الرغم من أن بحثنا بدأ بالتحويل الناجم عن الضوء والحركة ، المستوحى من عملية الرؤية ، فقد تم تخصيص جزء من برنامجنا للمحركات المحفزة وأنظمة الدفع. عادةً ما تعتمد المحركات البيولوجية مثل ATPase أو kinesin أو محركات الأسواط البكتيرية على التحفيز ، وتحويل الوقود الكيميائي ATP إلى طاقة حركية. تم توضيح إثبات مبدأ محرك دوراني مدفوع كيميائيًا باستخدام نظام دوار الباياريل الموضح في الشكل 11. السمات الديناميكية الكيميائية المجسمة الأساسية هي: أولاً ، يمنع الدوران المعوق في بياريل رباعي التكوُّن التحويل البيني للمُصاهِر ، على الرغم من وجود حرية تكوين كافية في الجزيء إلى موقع أورثو- بدائل في وحدتي أريل على مقربة أو بعيدة عن بعضهما البعض. ثانيًا ، يوجد حاجز منخفض بدرجة كافية للتحويل البيني الحلزوني عبر حالة انتقال مستوية للبياريل المملوء باللاكتون. باستخدام فتح الحلقة المحفزة بأوكسابوروليدين CBS غير المتماثل لللاكتون كخطوة رئيسية تحكم & أحادي الاتجاه بنسبة 90 ٪ وتسلسل خطوات الحماية المتعامدة (de-) تم إنجاز دورة دوارة أحادية الاتجاه من أربع مراحل. 83 على الرغم من عدم تحفيزه بالكامل بعد ، إلا أن هناك فائدة إضافية لهذا النظام تتمثل في أنه يمكن عكس اتجاه الحركة الدورانية ببساطة عن طريق تبديل الانحناء للمحفز. لقد قمنا مؤخرًا بتوسيع هذه المبادئ الأساسية للتحكم في الكيمياء المجسمة الديناميكية جنبًا إلى جنب مع الحركة الاتجاهية المدفوعة بالمواد الكيميائية في محرك biaryl إلى نظام بوساطة معدنية.84 تم تمكين وجود كل من chirality المحورية ومركز مجسم بالاقتران مع Pd 0 و Pd II من دورات الأكسدة والاختزال لأول مرة بحركة دوارة أحادية الاتجاه ناتجة عن تحويلات معدنية انتقالية متسلسلة محفزة للوقود الكيميائي. كما تم تحقيق حركة انتقالية مستقلة تعتمد على التحويل التحفيزي للوقود الكيميائي. على النقيض من استخدام قضبان دقيقة / نانو معدنية لتحلل بيروكسيد الهيدروجين ، كما هو موضح من قبل Whitesides وآخرون 85 لتحقيق الدفع الذاتي ، اتبعنا نهجًا جزيئيًا. على سبيل المثال ، تم تصميم محفزات المنغنيز ثنائية الفلزات كمحاكاة وظيفية للموقع النشط لأنزيمات الكاتلاز متبوعًا بالربط التساهمي لهذه العوامل الحفازة بمختلف الجسيمات الدقيقة ، بما في ذلك البوليمرات. 86 مكنت هذه المحفزات المدعومة من حركة السباحة المستقلة للجسيمات عن طريق تحويل بيروكسيد الهيدروجين كوقود. في تصميم أكثر تفصيلاً ، تم تعديل الأنابيب النانوية الكربونية تساهميًا باستخدام إنزيمين ، الكاتلاز وأكسيداز الجلوكوز. 87 العمل المتضافر لهذين الإنزيمين ، وتحويل الجلوكوز وتوليد الأكسجين ، مستحثًا الحركة المستقلة لمجموعات الأنابيب النانوية الكربونية في الماء ، وإن كان ذلك بدون تحكم في الاتجاه.

الحركة الدوارة والتحويلية التي تحركها المواد الكيميائية. أ) محرك دوراني أحادي الاتجاه مكون من 4 خطوات من Biaryl. ب) التناوب بوساطة PD في البياريل. ج) نظام دفع الأنابيب النانوية التحفيزي المدعوم بالجلوكوز.

على الرغم من أنه لا يزال بعيدًا عن أنظمة الدفع النانوية التي تحمل أحمالًا في ظل الظروف الفسيولوجية بطريقة مضبوطة للغاية ، فمن المحتمل أن توجه أنظمة الدفع التحفيزية والتصاميم ذات الصلة السائق الجزيئي في "رحلة رائعة" في عالم الآلات الجزيئية العاملة المستقلة.

ملاحظات ختامية

يمكن القول إن تطوير المحركات الجزيئية يوفر نقطة انطلاق جيدة لبناء الروبوتات اللينة والمواد الذكية والآلات الجزيئية. إن قدرتنا على تصميم الوظائف المشابهة للمحرك واستخدامها والتحكم فيها على المستوى الجزيئي تمهد الطريق للعديد من الأنظمة الجزيئية الديناميكية. بدءًا من "تركيب الوظيفة" ، كان تركيزنا على برمجة الجزيئات من خلال دمج الخصائص المتجاوبة والتكيفية والقدرة على التحكم في الحركة. أنظمة المعلومات الجزيئية ، والمواد سريعة الاستجابة ، والأسطح الذكية والطلاء ، ومواد الشفاء الذاتي ، وأنظمة التوصيل ، والعلاجات الدقيقة ، والمحفزات التكيفية ، وأجهزة الاستشعار المتجولة ، والروبوتات اللينة ، ومحولات الطاقة النانوية ، والآلات الجزيئية هي مجرد جزء صغير من الأنظمة التي يمكن أن تكون فيها الاكتشافات الرائعة متوقع وحيث تكون القدرة على التحكم في الوظائف الديناميكية ضرورية. سيتعين على ممارس فن البناء الصغير الوصول إلى مستويات جديدة من التطور عند التعامل مع الأنظمة الجزيئية الديناميكية المعقدة. في هذا المسعى ، أثناء محاولة تخيل ما لا يمكن تصوره ، يمكن لمحركات وآلات الطبيعة إلى حد ما توجيه المستكشف الجزيئي. ومع ذلك ، في بداية رحلتنا القادمة يجب ألا ننسى كلمات ليوناردو دافنشي ، 89 "عندما تنتهي الطبيعة من إنتاج الأنواع الخاصة بها ، يبدأ الإنسان بمساعدة الطبيعة في تكوين عدد لا نهائي من الأنواع”.

شكر وتقدير

أنا ممتن للغاية لجميع أعضاء المجموعة السابقين والحاليين الذين جعلوا بحثنا ممكنًا. كان من حسن حظي العمل مع طلاب جامعيين موهوبين بشكل استثنائي ، دكتوراه. الطلاب وما بعد الدكتوراة على مدار مسيرتي المهنية. إن الموظفين والزملاء في معهد Stratingh للكيمياء بجامعة جرونينجن ، وجميع المتعاونين معنا في أقسام الفيزياء والبيولوجيا ، والمركز الطبي الجامعي جرونينجن ، ومعهد Zernike للمواد المتقدمة ، وبرنامج النظم الجزيئية الوظيفية نقدر بامتنان. لقد كان من حسن حظي أيضًا التعاون مع خبراء عظماء حول العالم في مجال الكيمياء فوق الجزيئية ، والآلات الجزيئية ، والحفز والمواد ، وأنا ممتن لمساهماتهم. أخيرًا ، أود أن أشيد بالدعم المالي الذي قدمته العديد من المنظمات المانحة والذي حافظ على تقدم برامجنا التجريبية على مدار العقود الماضية.

سيرة شخصية

إنه لشرف عظيم أن تكون قادرًا على الوقوف على أكتاف عمالقة الكيمياء وفي القيام بذلك تجربة عجائب العالم الجزيئي وتقديم "تحديات لشبابنا ، وأحلام للناس ، وفرصًا للصناعة". بالنسبة لي ، كوني عالمًا منخرطًا في تصميم جزيئات وأنظمة كيميائية جديدة هو "مغامرة طويلة الأمد في المجهول" ، ودخول منطقة مجهولة من الجمال المذهل والمفاجآت ووجهات النظر المدهشة. على مدى العقود الماضية ، في العديد من المناسبات ، فقدنا المسار في رحلاتنا المقصودة ، ووصلنا إلى أماكن في الفضاء الكيميائي لم يكن بإمكاننا تخيلها أبدًا. في هذه المناسبات ، يتبادر إلى الذهن أحد أبطالي ، أبيل تسمان. منذ عدة مئات من السنين ، غادر تاسمان ، وهو مغامر ، قرية صغيرة قريبة من المكان الذي نعيش فيه ، وأبحر في سفينة خشبية بدائية إلى حافة العالم المعروف ، وفقد اتجاهاته ونتيجة لذلك قام باكتشاف مصادفة لما نحن عليه الآن استدعاء تسمانيا ونيوزيلندا. منذ بداية دراستي الأكاديمية عندما كنت شابًا بالغت في مغامرة غير متوقعة في الفضاء اللولبي ، لكن افتتاني بالمجهول ، "لاستكشاف ما وراء الحدود" ، بدأ في طفولتي.

الأيام الأولى

في عام 1866 ، انتقل جدي ، الذي كان يبلغ من العمر 3 سنوات ، مع عائلته ، وهم مزارعو الحنطة السوداء من الروم الكاثوليك الفقراء من إيمسلاند ، على بعد أميال قليلة عبر الحدود الألمانية الهولندية ليستقروا في مرسى بورتنجر العظيم في منطقة شاسعة غير مأهولة إلى حد كبير ونائية في الجزء الشمالي الشرقي من هولندا. السببان الرئيسيان لهؤلاء "سيدلر" لبناء لقمة العيش في هذه المنطقة المقفرة كان الافتقار إلى التربة الخصبة وخطر التجنيد في الجيش البروسي. في نفس العام تم حل مملكة هانوفر. كانوا من بين العائلات المؤسسة لقرية Barger-Compascuum. بدءًا من منازل العشب البدائي ، أسسوا أنفسهم ببطء عن طريق الزراعة وحفر الخث. لقد غذت الظروف المعيشية القاسية الأسرة بأخلاقيات عمل قوية ، وكونها مستقلة وداعمة للذات ولديها رغبة قوية في المعرفة ، والتي عشناها أيضًا في طفولتنا. كان والدي غيرت فيرينجا ، الأصغر بين عائلة مكونة من عشرة أفراد ، يدير المزرعة أثناء مشاركته في المنظمات المجتمعية القروية بما في ذلك البنك المحلي ومجالس المدارس والكنيسة. عائلة والدتي إليزابيث هوك لديها خلفية مماثلة نشأت أيضًا من المنطقة الحدودية. في مواجهة الفقر ، قررت عائلة أجدادها بأكملها الهجرة إلى الولايات المتحدة في 12 عامًا باستثناء الابن الأصغر الذي أصبح أول مدير لمدرسة ابتدائية في هيبيليمير ، وهي قرية ألمانية قريبة من المكان الذي كنا نعيش فيه. انتقل والداها أيضًا عبر الحدود لاستعادة الأرض ونشأت والدتي في مزرعتهما كأكبر عائلة مكونة من عشرة أفراد.

مزرعة أجدادي حوالي عام 1900 ، والمزرعة التي نشأت فيها ووالداي.

تزوج والداي عام 1949 وولدت في عام 1951 وأنا الثاني من بين عشرة أطفال. لا أستطيع أن أتذكر أنني غادرت القرية في وقت مبكر خلال شبابي المبكر معظم السنوات العشر الأولى التي أمضيتها على بعد 800 متر من الحدود (باستثناء أثناء ذهابي إلى المدرسة). المزرعة والبرية الشاسعة خلف حقولنا هي عالمي وعالم إخوتي وأخواتي بالإضافة إلى العشرات من أبناء وبنات الإخوة الذين شكلوا مجتمعنا. لقد حفز هذا الملعب بشكل نهائي خيالي وشعوري بالعمل الجماعي والرغبة في الاستكشاف. كان عبور الحدود خلف مزرعتنا دائمًا أمرًا صعبًا لمقاومة المغامرة ، وقدمت البرية على الجانب الآخر العديد من الارتباطات والنتائج غير المتوقعة. كانت عائلتنا تعتمد بشكل كبير على الحيوانات من أجل الحليب والبيض واللحوم ، والجفت للتدفئة ، وبئر ماء ، وحديقة كبيرة للخضروات والفاكهة ، وهذا الأخير هو فخر أمي وسعادتها. لم يكن هناك أي كماليات ولكننا كنا مرتاحين وحتى يومنا هذا ، أنا مندهش من كيف تمكنت من إطعامنا جميعًا بوفرة من الطعام الصحي حتى طوال فصل الشتاء. منذ سن مبكرة ، كان لكل منا مهامه الخاصة ، ومع تقدمي في السن ، كنت أعتني بالدجاج ، وأساعد في الحديقة ، وأقوم بقطع الخث لاستخدامه في الموقد. إن مراقبة سلوك الحيوانات ، وزراعة عباد الشمس بطول ثلاثة أمتار ، والتشكيك في أصل الخث دون شك ، حفز إلى حد كبير رغبتي الشديدة في المعرفة.

التعليم الأساسي والثانوي

أنا ممتن للغاية لمعلمي المدرسة الابتدائية ، الذين قدموا لنا تعليمًا ابتدائيًا قويًا. بدأ تقديري الطويل للتاريخ والجغرافيا بحساباتهم أثناء تغطيتهم لهذه الموضوعات ، والتي تم تحفيزها أكثر من خلال القصص الرائعة التي رواها والدي وأعمامي خلال التجمعات المسائية الطويلة في الشتاء في المزرعة. يُسأل كثيرًا لماذا "اللعب بالجزيئات ممتع للغاية" والإجابة الصحيحة ربما هي أنني أسعى لسد الفجوة في تعليمي المبكر التي خلفتها حقيقة أنني لم أحضر روضة أطفال. كان والداي قد حصلوا على ما يزيد قليلاً عن التعليم الابتدائي ولكنهم مع ذلك كانوا على رأس فصولهم الدراسية وفي المناسبات التي فشلت فيها في تقديم الإجابة الصحيحة للمدير ، كان يذكرني أن والدتي كانت ستعرف الإجابة. كان آباؤنا بالتأكيد قدوة للتعلم وشجعونا على اغتنام الفرص الغائبة عنهم في مجتمع المزارعين البعيد في فترة ما قبل الحرب. قد يكون الأمر صعبًا ولكن يجب أن نتذكر أنه لم تكن هناك أجهزة تلفزيون أو أجهزة كمبيوتر أو هواتف ذكية ، ولكن بالتأكيد كانت هناك كتب في المنزل أو في مكتبة الكنيسة المحلية يمكننا الوصول إليها في بحثنا عن المعرفة.

كانت الخطوة التالية في تعليمي هي الالتحاق بكلية Katholiek Drents ، وهو تعليم ثانوي يسمى HBS ، والذي حظي بتقدير كبير في هولندا. كان من حسن حظي الالتحاق بمدرسة صغيرة إلى حد ما مع فريق من المعلمين الشباب المدربين أكاديمياً الممتازين الذين يغطون مجموعة واسعة من الموضوعات. في مواجهة علم الأحياء والرياضيات والفيزياء والكيمياء ، فتح لي عالم جديد يغذي عطشي لمعرفة كيف ولماذا. أتذكر بوضوح أن معظم معلمينا يمكنهم معالجة مواضيع خارج الكتاب المدرسي ووضع المواد التي كان علينا تعلمها في سياق أوسع.

كان مدرس الكيمياء لدينا ، Op de Weegh ، مصدر إلهام استثنائي ، وكان حريصًا دائمًا على تحدينا. في الجزء الأخير من تعليمي الثانوي ، عندما اقتربت الخطوة التالية في التعليم الأكاديمي ، كان له تأثير خاص في قراري بدراسة الكيمياء. على الرغم من أن الرياضيات كانت أكثر موضوعاتي نجاحًا ، إلا أن حقيقة أنه في الكيمياء يمكنك تجربة اللون أو الرائحة أو البلورات الجميلة ورؤية التطبيق العملي بدءًا من الأسمدة إلى الأدوية كانت عوامل حاسمة. في لقاء لم شمل مدرستي الثانوية مؤخرًا ، ذكرني التحدث إلى مدرس الكيمياء الخاص بي بأحد أقواله: "أتمنى لكل طفل في حياته مدرسًا ممتازًا واحدًا على الأقل". كان من حسن حظي أن لدي العديد! كما أتاح ركوب الدراجات لمسافة 15 كيلومترًا يوميًا للوصول إلى المدرسة مع أصدقائي - لم تكن هناك مواصلات عامة - مجالًا لمناقشات مكثفة وصقل عقولنا. كان هذا أيضًا هو الوقت الذي بدأت فيه اللعب لفريق كرة القدم المحلي ، وعلى الرغم من أنني كنت لاعباً ذا موهبة متواضعة ، واستطرادي لبضع سنوات في لعب كرة اليد ، فقد استمتعت بلعب كرة القدم لفترة طويلة امتدت إلى مسيرتي الأكاديمية. . ربما كانت أفضل هدية من تعليمي في المدرسة الثانوية هي أنني تعلمت تقدير العديد من التخصصات.

أنا مع مدرس الكيمياء الخاص بي جي.أوب دي ويغ في لقاء لم شمل مدرستنا الثانوية مؤخرًا.

ربما كان التأثير غير المتوقع خلال المرحلة الثانوية المتأخرة / الدراسة الجامعية المبكرة ، تلك الفترة الجامحة من الثورات الطلابية والاضطرابات الاجتماعية ، هي المناقشات التي لا تنتهي في المنزل بين إخوتي وأخواتي. نقاشات يوم الأحد حول مواضيع تتراوح من السياسة العالمية إلى الاختراعات والدين والسلوك البشري ما زلنا نتذكرها بوضوح. اسمحوا لي ألا أختم وصف هذه الفترة دون أن أذكر ربما الشخص الأكثر نفوذاً. لطالما كانت لدي الرغبة في أن أصبح مزارعًا ، لكن كان لدي شعور جيد باتباع نصيحة والدي الحكيمة للدراسة أولاً ، وربما لاحقًا ، ربما ، إعادة النظر في خياراتي. ونتيجة لذلك ، أمضيت معظم الإجازات الصيفية الطويلة خلال المدرسة الثانوية والجامعة أعمل جنبًا إلى جنب مع والدي في المزرعة. شاركني الإعجاب بالعالم الطبيعي ، وإعجاب آذان القمح التي تنمو من بذرة صغيرة ، والألوان الجميلة للزهور في الحقول ، والأبقار التي تلد نسلها. خففت هذه العجب من آلام العضلات التي أعقبت عمل اليوم الصلب وبينما كنا في حيرة من شكل الغيوم أو تدفق المياه ، وبينما كنا نكافح مع طبيعة الجاذبية ، فقد أعادنا دائمًا إلى عملنا مع التربة.

تعليم جامعي

التحقت بجامعة جرونينجن لتخصص في الكيمياء عام 1969 وسرعان ما تعلمت أن أقدر البيئة الأكاديمية والجوانب المختلفة للحياة الطلابية والساعات العديدة من الدورات التدريبية والعمل المخبري. هناك عاملان أعتبرهما ذا أهمية كبيرة لهذه الفترة من دراستي الجامعية. أولاً ، كنا الدفعة الأولى من الطلاب الذين يعملون في مختبراتنا الجديدة التي كانت في ذلك الوقت والتي نفخر بكوننا جزءًا من هذا المجتمع. ثانيًا ، كان العديد من أساتذتنا إما مواطنين أمريكيين أو مدربين في الولايات المتحدة الأمريكية وقد تحدونا - شعرنا بإحساسهم بالتوقعات. لقد قاموا بتصميم قسم الكيمياء على غرار المعاهد الأمريكية الكبرى ولم تمر الروح الفريدة من نوعها دون أن يلاحظها أحد. بدأ حبي الحقيقي للكيمياء التركيبية في عامي الثالث عندما أتيحت لي الفرصة الأولى للعمل في موضوع بحث قصير. أحتفظ باعتزاز بذكرى البهجة التي شعرت بها في صنع أول مركب جديد لي - مركب لم يتم تحضيره في أي مكان في العالم. كانت تجربتي التالية في البحث عبارة عن فترة في القسم غير العضوي حيث تعلمت التعامل مع معظم الكواشف المعدنية العضوية الانتقالية الأكثر حساسية للهواء والرطوبة في مركبات التيتانيوم العضوية بشكل خاص. في كل مرة أرى جدارًا ملونًا جميلًا ، تخطر ببالي الذاكرة الحية لختم قارورة شلينك المتسرب ، مع الأكسجين الذي يتسلل ببطء إلى الداخل.

أعتقد أن قراري بإجراء بحث الماجستير الخاص بي يقول الكثير عن شخصيتي في ذلك الوقت. لقد رفضت اقتراح مشروع من أستاذ الكيمياء الذي أشار إلى أنه قبل العمل على هذا الموضوع يجب أن أقوم بالكثير من القياسات الروتينية ، لأن "المشكلة كانت صعبة للغاية بالنسبة لي". كنت متشوقًا لمواجهة التحدي وكنت محظوظًا لأن أستاذًا آخر ، هانس واجنبرج ، ضرب الحبل الصحيح من خلال تقديم موضوع ليس له فن سابق على الإطلاق. الاقتران غير المتماثل للفينولات كيفية إقران جذرين يولدان chirality محوريًا ، كما في BINOL؟ لقد بدأت في استكشاف نظائر الحديد من بروابط diketonate القائمة على الكافور ، والتي أبلغ عنها جورج وايتسايدز في عام 1974 عن كواشف التحول من نوع europium NMR. على الرغم من أنني فشلت خلال بحث الماجستير الخاص بي في تحقيق الاقتران غير المتماثل لـ 2-نافثول ، فقد كان من المجزي أنه في نهاية المطاف خلال دراسات الدكتوراه الخاصة بي تمكنت من إدراك تكوين BINOL بنقاوة ضوئية 16 ٪ باستخدام مركب أمين نحاسي مراوان كمؤكسد. كانت هذه هي السنوات التي أصبحت فيها مفتونًا بالكيمياء الفراغية ، وليس على الأقل بالإثارة التي نشأت في هذا المجال نتيجة للعديد من الاكتشافات المذهلة في الحفز غير المتماثل. كان الاهتمام العام في المجموعة بالجوانب الأساسية للكيمياء الفراغية التي تتراوح من مطيافية ORD و CD ، والتكوين المطلق والتوليف غير المتماثل المطلق إلى المتغيرات التي تفتقر إلى النشاط البصري والعمل الرائد على التحفيز العضوي غير المتماثل باستخدام قلويدات الكينا بيئة تعليمية خصبة. كان من المهم أيضًا أن يقوم العديد من الكيميائيين البارزين (المجسمين) من بينهم Sharpless و Eliel و Barton و Turro و Kagan بزيارة جرونينجن خلال تلك الفترة وشجعنا بشدة على المناقشة مع هؤلاء العلماء العظماء. واصلت دراساتي لنيل درجة الدكتوراه في مجموعة Wijnberg واكتشفت ، من بين أمور أخرى ، اختلافات صغيرة في الانتقائية بين الخليط العنصري والمتصادقات النقية في التفاعلات المتكافئة. أطلقنا على هذه الظاهرة اسم التأثير المضاد ، وعلى الرغم من أن تقديمنا الأولي قوبل بعدم تصديق الحكام ، فقد نُشر عملنا في النهاية. مما أسعدنا كثيرًا ، بعد 10 سنوات ، أوضح Henri Kagan أن الظواهر ذات الصلة تحدث في التفاعلات التحفيزية وشكلت الأساس للتأثيرات غير الخطية المقبولة على نطاق واسع الآن.

معلمي ومشرف الدكتوراه الخاص بي البروفيسور هانز واجنبرج.

ربما كانت أكثر اللحظات الحاسمة فيما يتعلق بمسيرتي المهنية اللاحقة هي تصميم الألكينات المزدحمة التي لا تحمل مركزًا مجسمًا ولكن كلاهما رابطة الدول المستقلة و عبر تتكون الأيزومرات الفراغية من أزواج متماثلة. كانت الفكرة بسيطة إلى حد ما إذا كان البياريل يمكن أن يكون مراوانًا بسبب الدوران المعوق حول رابطة واحدة ، فقد نشأ السؤال "هل يمكن للأولفين أن يشكل مركبًا متجانسًا ثابتًا بسبب الالتواء حول الرابطة المزدوجة"؟ بالاستفادة من اقتران McMurry المكتشف حديثًا للكيتونات ، تم بالفعل تحضير الألكينات المزدحمة اللولبية والإبلاغ عنها في JACS 1976. كيف أدركت في تلك اللحظة أن هذا الاكتشاف سيشكل لاحقًا الأساس لمفاتيحنا الجزيئية chiroptical ودوراننا أحادي الاتجاه المحركات. عند العودة إلى الوراء ، زودتني فترة الدكتوراه بالجو الأساسي للاكتشاف الذي شجعنا فيه على التشكيك في التقاليد وكسر النماذج. زملائي الطلاب ، ولا سيما Bert (EW) Meijer و Kees Hummelen و Henk Hiemstra ، الذين صنع كل منهم وظائف أكاديمية بارزة على مدار العقود الماضية ، أضافوا إلى حد كبير الجو المحفز والتحدي في المجموعة. كان صيف عام 1977 فترة أخرى مهمة للغاية في مسيرتي المهنية عندما تم إرسالي إلى الولايات المتحدة لحضور الندوة العضوية في مورغانتاون ، واشنطن. قدمني Hans Wijnberg إلى العديد من الكيميائيين المتميزين ، لكنني تأثرت كثيرًا بالمحاضرة المسائية الرائعة التي دامت ساعتين و 20 دقيقة (محاضرة قصيرة إلى حد ما) ألقاها البروفيسور العظيم R.B Woodward. نظرًا لأن معلمي قد رتب لي أيضًا للقيام بجولة محاضرة قصيرة ، فقد كان لي شرف تقديم عروض تقديمية حول عملي لدرجة الدكتوراه في جامعة ولاية بنسلفانيا وكورنيل من بين آخرين وبرينستون حيث أتيحت لي أيضًا الفرصة لمناقشة الكيمياء الفراغية مع بطلي كورت ميسلو. بعد رحلتي الأمريكية ، كنت مقتنعا أن خطوتي التالية كانت أبحاث ما بعد الدكتوراه في الولايات المتحدة. ولكن كما هو الحال في كثير من الأحيان في الحياة ، يمكن أن تأخذ رحلاتنا منعطفات غير متوقعة.

فترة شل

في الأشهر التي أكتبت فيها رسالتي ، أدركت أن الخدمة الوطنية ، التي كانت في ذلك الحين إلزامية في هولندا ، ستقضي حتماً على أي أحلام بمغامرة ما بعد الدكتوراه. لحسن الحظ ، عُرض عليّ منصب في Royal Dutch Shell Research Laboratories (KSLA) في أمستردام ، بسبب خبرتي في الكيمياء المجسمة ، أعفيني من الخدمة العسكرية الفعلية وقدم لي أفضل شيء بعد فترة ما بعد الدكتوراة في الولايات المتحدة. بصفتي أكاديميًا شابًا ، كنت ألتحق بمعهد أبحاث مؤسسي مرموق للغاية ، يمكن مقارنته بمختبرات بيل أو أبحاث دوبونت المركزية ، مع سمعة عالمية في مجال الحفز. لقد اختبرت بالفعل تعرضًا رائعًا لكل من أبحاث الحفز الأساسية والتطبيقية خلال سنواتي 6.5 في شل. ركزت معظم أبحاثي الخاصة بعد ذلك على الأكسدة المحفزة وتصميم الترابط الجديد والمحفز. في الأشهر الأولى ، شاركت مكتبًا مع David Reinhoudt الذي قدمني إلى مجال الكيمياء فوق الجزيئية سريع الظهور آنذاك. على الرغم من أنني كنت أعمل على حل المشكلات الأساسية في الحفز الكيميائي ، على سبيل المثال تحفيز الأكسدة والاختزال الضوئي ، فقد استفدت بشدة من التفاعل مع كيميائيي العمليات أيضًا.لقد زودني التعرض للعديد من المشاريع الصناعية ذات الصلة برؤى مهمة ساعدت في تشكيل مشاريعي البحثية التعاونية المستقبلية ، وكذلك في تعليم طلابنا ، الذين سيدخل معظمهم وظائف صناعية. بشكل قاطع ، فإن مشاريعي اللاحقة حول التحفيز غير المتماثل والفوسفوراميديت مع DSM ، والأكسدة التحفيزية مع Unilever والبلورات السائلة مع Philips على مدار العقود الماضية ، كانت متجذرة جزئيًا في فترة بحثي الصناعي في شل.

بصرف النظر عن فترة KSLA ، أمضيت ما يقرب من 1.5 عامًا في مركز Shell Biosciences في سيتينجبورن ، كنت ، المملكة المتحدة للعمل على مبيدات الأعشاب. كانت هذه الفترة رائعة أيضًا في المناقشة مع علماء الكيمياء الحيوية وعلماء وظائف النبات من بين آخرين. أدى الانغماس في التوليف الكلي والبيولوجيا الكيميائية إلى إثارة إعجابي بقوة الكيمياء الاصطناعية في الإنشاء والفرص غير المحدودة التي يوفرها التصميم الجزيئي. كانت الاجتماعات المنتظمة مع السير جون كورنفورث وأعضاء المجتمع الكيميائي البريطاني محفزة بنفس القدر. بعد عودتي إلى Shell Amsterdam ومجموعة الحفز من Piet van Leeuwen ، أدركت أن قراءة أحدث الاكتشافات في مجلات الكيمياء الأساسية ما زالت مصدر إلهام لي أكثر من الخوض في المشاكل الصناعية. عندما اتصلت بي ألما ماتر في عام 1984 للنظر في منصب عضو هيئة تدريس مبتدئ في قسم الكيمياء ، لم يكن هناك أي تردد. حقيقة أنني تزوجت في ذلك العام من زوجتي بيتي ، التي عاشت آنذاك في جرونينجن وعملت في المركز الطبي الجامعي هناك ، جعلت القرار أسهل.

جامعة جرونينجن

كان برنامج البحث الخاص بي على مدى السنوات اللاحقة قائمًا بقوة على الكيمياء العضوية العضوية والفيزيائية ، وعلى الرغم من أنه تطور على طول خطين رئيسيين ، الحفز والمفاتيح الجزيئية ، إلا أن الكيمياء الفراغية ظلت هي الموضوع الرئيسي. قدم استكشاف الفضاء اللولبي بانتظام مفاجآت رائعة ، سواء كانت طريقة جديدة لتحديد فائض التماثل دون مصدر خارجي للتزاوج ، أو التضخيم اللولبي من خلال التسامي ، أو التحفيز غير المتماثل القائم على الحمض النووي (مع جيرارد رويلفيس).

تعتبر الأكسدة التحفيزية مفتاحًا للعديد من أهم العمليات الصناعية في العالم ، وقد واجهنا التحدي المتمثل في تصميم عمليات أكسدة انتقائية ركزنا على أكسدة واكر المضادة لماركوفنيكوف وأنظمة التحفيز غير الهيم القائمة على الحديد والمنغنيز. كجزء من هذه البرامج ، استمتعت بتعاون رائع مع Larry Que (جامعة مينيسوتا) و Ronald Hage (Unilever / Catexel) و Wesley Browne (جامعة. Groningen) على مدار سنوات عديدة. بناء فريق البحث الخاص بي في أواخر الثمانينيات ، أصبحت مفتونًا بعدم وجود طريقة انتقائية للغاية للإضافة المترافقة للكواشف المعدنية العضوية (الكيل والزنك والنحاس). أدى إدخال الفوسفوراميدات اللولبية كفئة مميزة جديدة من الروابط غير المتماثلة في التحفيز غير المتماثل (في عام 1996) في النهاية (في عام 1996) إلى إضافة 1،4 من الكواشف العضوية التي تحتوي على مواد انتقائية مفيدة صناعياً. من هذه الفترة فصاعدًا ، كان لي شرف العمل معًا في مشاريع ناجحة للغاية مع زملائي المقربين Adri Minnaard و Suzy Harutyunyan ، مع التركيز على التوليفات الكلية الصعبة والمشكلات الصعبة بنفس القدر في الحفز غير المتماثل. استغرق الأمر 8 سنوات أخرى قبل أن ننجح في ترويض كواشف Grignard للإضافات المترافقة المماثلة وبدائل الأليل ، كان المفتاح هو التعمق وفهم كل من المحفز والتفاعل ككل على المستوى الميكانيكي. مدفوعًا بهذا النجاح ، أخيرًا ، بعد 20 عامًا من الجهد ، تمكنا من تحقيق تكوين رابطة C-C التحفيزية غير المتماثلة باستخدام كواشف الليثيوم العضوي التفاعلية. لقد وفر التحكم في سلوك التجميع وتطبيق مجمعات النحاس المحددة جيدًا الحل الذي طال انتظاره. كان هذا هو نقطة الانطلاق لبرنامجنا الحالي على اقتران متقاطع عضوي فائق السرعة.

تم تعييني أستاذًا متفرغًا في عام 1987 ، خلفًا لوالدي العلمي هانز واجنبرج في عام 1988 وألقيت محاضرة الافتتاحية العامة في جامعة جرونينجن (المحاضرة الأكاديمية هي تقليد هولندي جيد) في عام 1989 بعنوان "الترتيب والديناميات في التوليف". تركزت المناقشة في تلك المناسبة من بين أمور أخرى على "الجزيئات الذكية" ، وفكرت في المدى الذي يمكن أن نذهب إليه في بناء جزيئات وظيفية تم تصميمها لأداء مهام محددة في نهاية المطاف لإنشاء روبوتات جزيئية صغيرة.

بيتي وبناتنا الثلاث في سن أصغر.

كان هذا الحدث نقطة البداية لأكثر من 25 عامًا من العمل على المفاتيح والمحركات الجزيئية. كانت الفكرة الأساسية هي تصميم مواد تخزين المعلومات الجزيئية بالاستفادة من مفاتيح الألكين الخاملة المزدحمة من فترة الدكتوراه الخاصة بي. كانت خصائص التبديل الممتازة (ثبات الصورة) والانعزالية المتأصلة (للقراءة غير المدمرة) عوامل حاسمة مكنت من ولادة فئة كاملة من المفاتيح الجزيئية chiroptical. استقطب دمج التوليف مع الدراسات الميكانيكية والكيمياء الضوئية وكيمياء المواد والتحليل الطيفي ، بالتعاون الوثيق مع ويسلي براون ، الطلاب ذوي التدريب والخبرة المتميزين الذين كانوا بلا شك مؤثرين للغاية في مناقشاتنا والأساليب المتبعة خلال العقدين المقبلين. بدأ تعاون مهم على التكوين المطلق للألكينات المزدحمة مع نوبويوكي هارادا في سينداي. قمنا بتوسيع برنامجنا على مفاتيح الصور للتحكم في النظم الحيوية مثل قنوات بروتين MscL وناقلات البروتين SecY (مع عالم الكيمياء الحيوية Armagan Kocer وعالم الأحياء الدقيقة الجزيئي Arnold Driessen ، على التوالي). نظرًا لتطور بحثنا ببطء من الجزيئات إلى الأنظمة الجزيئية الديناميكية ، فقد عملنا على التحكم في التنظيم على طول مقاييس الطول المختلفة ، مثل المواد الهلامية والبوليمرات والبلورات السائلة. تراكمت الدراسات حول المفاتيح الانعكاسية في اكتشاف محركنا الدوار أحادي الاتجاه الذي يعمل بالضوء ، والذي تم الإبلاغ عنه في عام 1999. وكانت هذه أيضًا نقطة البداية لتصميم عدة أجيال من المحركات والمحركات الدوارة المثبتة على السطح والبلورات السائلة القائمة على المحرك (بالتعاون مع مع ديك بروير ، ثم في شركة فيليبس للأبحاث). كان لكوني عضوًا في كل من معهد ستراتينه للكيمياء ومعهد زيرنيك للمواد المتقدمة في جامعة جرونينجن ميزة كبيرة توفر الوصول إلى مجموعة واسعة من المرافق (لا سيما لتوصيف السطح) ومفيدة للغاية لطلابي الذين يعملون على هذه مشاكل متعددة الأوجه. كانت منحة سبينوزا هي السبب المباشر لتصميم سيارة جزيئية ذات دفع رباعي لمواجهة التحدي الأساسي المتمثل في كيفية تحويل الحركة الجزيئية الدوارة إلى حركة انتقالية عبر السطح. بعد 7 سنوات نجحنا في التعاون الوثيق مع Kalle Ernst في EMPA ، زيورخ. كانت هذه سنوات رائعة بالنسبة لـ "فريق المحركات" الخاص بي حيث صممنا محركات فردية يمكنها التحرك في كلا الاتجاهين ، ومحركات تعمل بالضوء المرئي ، ومحفز حلزوني متعدد المهام ، وبنى نانوية ذاتية التجميع تعتمد على المحركات الدوارة وغيرها. في الإدراك المتأخر ، ربما كان الحدث الذي لا يُنسى في كل هذه السنوات هو الملاحظة المباشرة بالعين المجردة لجسم صغير يدور ، بينما يطفو على سطح بلوري سائل ناعم ، بواسطة محرك يعمل بالضوء.

كان من دواعي سروري أن أقضي جزءًا كبيرًا من حياتي في قسم الكيمياء بجامعة جرونينجن مع زملاء رائعين وأجواء مفتوحة خالية من الحدود لتشجيع الطلاب على التعاون والموظفين للمناقشة والعمل معًا. لقد استمتعت بالعمل مع مجموعتي على المشكلات الكيميائية المتنوعة التي حفزت الإبداع والتعاون مع فرص كبيرة للتعلم والاستكشاف خارج منطقة الراحة الخاصة بنا. لقد كان حقًا امتيازًا للانضمام إلى طلابي الموهوبين في رحلة رائعة إلى منطقة مجهولة إلى حد كبير من المحركات والآلات الجزيئية.

مجموعة Feringa في حدث رياضي خلال أسبوع العمل السنوي في التسعينيات.

إن التقليد الطويل المتمثل في قضاء أسبوع كل عام مع مجموعتي بأكملها في الخارج لزيارة الصناعة وجامعة أخرى أو معهد أبحاث ذو قيمة عالية. هذا "أسبوع العمل" مع المحاضرات التي نظمها الطلاب والتي تتراوح من الابتكار الصناعي والأخلاق والحرب الكيميائية إلى الطبخ الجزيئي والندوات المشتركة والفعاليات الرياضية والحانات ، حفزت بشكل كبير روح الفريق الرفيعة.

بعد فترة وجيزة من موعدي في جرونينجن ، قررت أنا وبيتي الانتقال إلى قرية باتيرسولده جنوب جرونينجن ، مما يتيح لنا الفرصة للاستمتاع بدورة يومية لائقة من وإلى أماكن العمل الخاصة بنا. يمنحك فيلم "الانتقال في الأرض المسطحة" في شمال هولندا بالطبع الكثير من الوقت كل يوم للتفكير في الألغاز ثلاثية الأبعاد التي كنا نواجهها في المختبر. كما لا تُنسى حفلات الشواء السنوية في حديقتنا عندما تجتمع المجموعة بأكملها معًا (غالبًا خلال الأحداث الأوروبية وكأس العالم لكرة القدم) والعديد من حفلات التخرج لدرجة الدكتوراه ، والتي لدينا تقليد صنع فيلم عن وقت المرشحين لضمان ذلك يتم تذكر مواهبهم العديدة غير المتوقعة داخل وخارج المختبر.

بيتي وبناتنا فيمكي وهانا وإيما وصهرها جوريت في حفل أقيم مؤخرًا عندما تلقيت وسامًا ملكيًا.

أنا أستمتع بالتزلج لمسافات طويلة ، وكابن مزارع ، يسعدني امتلاك قطعة أرض خاصة بنا بها مرج وخيول وحديقة نباتية تسمح لي ليس فقط بممارسة الرياضة في عطلات نهاية الأسبوع ولكن عدم الاتصال بالطبيعة مطلقًا. شاركت بناتنا الثلاث الحماس للتعلم والرياضة. فيمكي ، عالمة بيولوجيا الخلية ، في السنة الأخيرة من دراستها لنيل درجة الدكتوراه في المعهد الهولندي للسرطان (NKI) ، بدأت هانا للتو في الحصول على درجة الدكتوراه في مجال الحساسية الغذائية في المركز الطبي بجامعة أوترخت ، وإيما طالبة ماجستير في علوم الحركة في جامعة أمستردام الحرة. يوفر أسبوع التزلج في جبال الألب السويسرية كل شتاء وأحداث الإبحار في البحيرات الفريزية كل صيف فرصة كبيرة لتحديات تتجاوز الكيمياء وهي لحظات ثمينة للغاية مع بيتي والأطفال. أنا سعيد للغاية لأنني تلقيت دعمًا كبيرًا خلال مسيرتي المهنية بأكملها من عائلتي وأنهم يتسامحون مع تشتيت انتباهي عن طريق "الجزيئات المجنونة" في لحظات غير متوقعة. تذكرنا بيتي دائمًا بشغفي "أن أكون عالمًا هو أسلوب حياة". لم أستطع أن أتفق أكثر ، وأنا ممتن لأنها كانت بجانبي دائمًا في رحلتنا.


ملاحظات ختامية وآفاق المستقبل

تم نشر التقرير الأول عن وجود عوامل قابلة للذوبان لتعزيز استجابات IgG و IgE Ab من قبل Kishimoto و Ishizaka في عام 1973 ، واستغرق الأمر 13 عامًا حتى الاستنساخ الفعلي لجين IL-6 (Hirano et al. 1986). بعد هذا النجاح ، تقدم البحث الأساسي بسرعة واكتملت الصورة الكاملة لنظام إشارات IL-6 في أوائل التسعينيات (Kishimoto et al.1994). بالتوازي مع هذا التطور ، تم أيضًا إثبات التورط المرضي لـ IL-6 في أمراض مختلفة (Nishimoto et al. 1989 ، 2005 Yoshizaki et al. 1989). وجد أنه إذا تم الحفاظ على تركيز مصل التوسيليزوماب الحر في أكثر من 1 & # x000b5g / ml ، فإن CRP يظل سالبًا (Nishimoto et al. 2008) ، مما يشير إلى أن IL-6 يلعب دورًا رئيسيًا في تحريض تعبير CRP وهذا قد يكون IL-6 متورطًا في تطوير جميع الأمراض الالتهابية المزمنة تقريبًا مع ارتفاع CRP. بدأت التجارب السريرية لتوسيليزوماب في أواخر التسعينيات ، وتمت الموافقة على هذا Ab أحادي النسيلة المتوافق مع البشر لعلاج مرض Castleman & # x02019s في عام 2005 في اليابان ، بعد ما يقرب من 20 عامًا من الاستنساخ الجزيئي الناجح لجين IL-6 (الشكل 5) (كيشيموتو) 2005). خلال السنوات التالية ، أصبح عقار التوسيليزوماب خط بيولوجي أول لعلاج التهاب المفاصل الروماتويدي النشط المتوسط ​​إلى الشديد والخط البيولوجي الوحيد المعتمد للالتهاب المفصلي اليفعي مجهول السبب. من المتوقع أنه خلال العقد القادم ، سيتم استخدام مانع IL-6 هذا على نطاق واسع لعلاج العديد من الأمراض المستعصية بما في ذلك عاصفة السيتوكين وسيتغلب تطبيقه على مقاومة هذه الأمراض.

الاكتشافات الرئيسية في الأبحاث المتعلقة بـ IL-6 وإنشاء استراتيجية استهداف IL-6 للأمراض المناعية. أوضحت الأبحاث الأساسية المتعلقة بـ IL-6 الأساس الجزيئي لخصائص السيتوكين ، والتكرار ، وتعدد الأشكال ، بينما كشفت الأبحاث السريرية عن أهميتها المرضية في تطور المرض. أدت هذه النتائج إلى مفهوم أن استهداف IL-6 سيشكل استراتيجية علاجية جديدة للأمراض التي تتوسطها المناعة ، وفي الواقع ، أصبح tocilizumab ، وهو جسم مضاد متوافق مع البشر من IL-6R ، مادة بيولوجية مبتكرة لعلاج الأمراض المستعصية مثل التهاب المفاصل الروماتويدي ، والأحداث الجهازية. التهاب المفاصل مجهول السبب (sJIA) ، ومرض Castleman & # x02019s. من المتوقع أن تكون هذه الاستراتيجية قابلة للتطبيق على نطاق واسع لأمراض المناعة الأخرى. LNs ، العقد الليمفاوية TCZ ، tocilizumab CDR ، منطقة تحديد التكامل.

لتحقيق هذا الهدف ، هناك العديد من العقبات التي يجب التغلب عليها. أولاً ، ستكون هناك حاجة لتجارب سريرية إضافية لتقييم فعالية وسلامة التوسيليزوماب في الأمراض المختلفة. العقبة الثانية ، والمهمة أيضًا ، هي توضيح الآليات التي تجعل التوسيليزوماب فعالًا للأمراض المختلفة ظاهريًا. في حالة الداء النشواني أ ، يمكن تفسير التأثير التحسيني للتوسيليزوماب من خلال تثبيطه الفعال لتخليق بروتين أميلويد أ في الدم (تاناكا وآخرون ، 2011). في حالة التهاب المفاصل الروماتويدي ، فقد ثبت أن علاج التوسيليزوماب أدى إلى تحسن في علامات الالتهاب الجهازية والمفصلية (Garnero et al. 2010 Terpos et al. 2011 Kanbe et al. 2012) ، ولكن لا يزال يتعين تحديد ما إذا كان يمكن تصحيحها التشوهات المناعية الأساسية ، مثل إنتاج الأضداد الذاتية أو اختلال توازن مجموعات الخلايا الفرعية التائية CD4 + (تاناكا 2013). ومع ذلك ، تشير النتائج الأولية الأخيرة إلى أن علاج التوسيليزوماب يمكن أن يصحح عدم التوازن بين Th17 و Treg في خلايا الدم المحيطي CD4 + T (Samson et al. 2012 Pesce et al. 2013). علاوة على ذلك ، فقد تبين أن العلاج تسبب في انخفاض مستوى الببتيد السيتروليني المضاد للحلقات من فئة IgG4 في الدم في RA (Carbone et al. 2013). يلعب Anti-aquaporin 4 (AQP4) Ab دورًا مرضيًا في التهاب النخاع والعصب البصري ، ووجد أن علاج التوسيليزوماب يحسن الأعراض السريرية ويقلل من عيار مضاد AQP4 Ab في الدم ، ربما عن طريق تثبيط بقاء الخلية للبلازما التي تفرز هذا Ab (Chihara et al. 2011 أراكي وآخرون 2013). إذا كان حصار IL-6 قادرًا بالفعل على تصحيح هذه التشوهات المناعية ، فسيكون من الممكن في الواقع استخدام tocilizumab لعلاج مجموعة واسعة من الأمراض التي تتوسطها المناعة.

أخيرًا ، يبقى اللغز سبب ظهور IL-6 باستمرار في مجموعات خلايا متميزة في أمراض مختلفة. التحليلات الدقيقة والمفصلة للبروتينات مثل Arid5a و regnase-1 و microRNAs التي تنظم تخليق IL-6 ستكون مفيدة في حل هذا اللغز ، في حين أن توضيح الآلية (الآليات) المعنية سيسهل تحديد الجزيئات المستهدفة والتحقيقات الأكثر تحديدًا في التسبب في أمراض معينة.


شاهد الفيديو: شاهد البقرة أثناء الولادة وهي تلد بكل سهولة show the somallest child who born the cow only (كانون الثاني 2023).