عنوان: نانوراکتورهای خودآرا (Self-assembled Nanoreactors) نویسندگان : 1- گلناز پرهیزگار 2- امیر لندرانی اصفهانی

نانوراکتورهای خودآرا در طبیعت، تبدیل‌های شیمیایی در محیطی محدود و مشخص انجام می‌شوند. این تبدیلات چنان به هم مرتبط و پیوسته هستند که محصول یک واکنش، ماده اولیه یا کاتالیزور واکنش بعدی است. واکنشهای دارای پیوستگی در زمان و فضا، مورد توجه روزافزون شیمیدانان قرار گرفته‌اند چون.. انتظار می‌رود به این شیوه، کارایی تبدیل‌های شیمیایی در مقیاس آزمایشگاهی تا صنعتی افزایش یابد.

نانوراکتورهای خودآرا ایجاد پیوستگی بین واکنشها و کنترل محصولات در طبیعت با استفاده از محیط‌های واکنش مناسب امکان‌پذیر می‌شود. محیط‌های واکنش از سامانه‌هایی نسبتاً ساده در اندازه نانومتر نظیر آنزیمها تا چیدمان‌هایی بسیار پیچیده و در اندازه میکرومتر نظیر سلولها را در بر می‌گیرد.

نانوراکتورهای خودآرا نخستین گام یک شیمیدان متخصص در زمینه سنتز برای پیوسته کردن واکنشها در زمان و فضا... طراحی و ساخت محیط انجام واکنش یعنی یک راکتور است. برای این منظور سلول اولین الگو می‌باشد.

نانوراکتورهای خودآرا ابتدا تلاشها در جهت ساخت گیرنده‌هایی(Receptors) کاملاً سنتزی با وزن مولکولی پایین قرار گرفت. این گیرنده‌های سنتزی می‌بایست در جای دادن (Encapsulating) واکنشگرها درون کپسول توانمند باشند. در بیشتر موارد ساخت چنین راکتورهای کووالانسی نیازمند سنتز چند مرحله‌ای پیچیده است. این پیجیدگی برای کاربرد راکتورهای کووالانسی در مقیاسهای بزرگتر یک اشکال جدی محسوب می‌شود.

نانوراکتورهای خودآرا پس از راکتورهای کووالانس ساخت سامانه‌هایی دست یافتنی‌ترتوسعه یافت. این سامانه‌ها با خودآرایی (Self-assembly) اجزای مولکولی کوچک نظیر فسفولیپیدها و تبدیل آنها به کپسول و وزیکول (Vesicle) تشکیل می‌شوند.

نانوراکتورهای مولکولی کپسولها و جعبه‌ها این دسته از نانوراکتورها به دو شاخه اصلی تقسیم می‌شوند: ساختارهای کووالانسی ساختارهای غیر‌کووالانسی

نانوراکتورهای مولکولی کارآمدترین کاتالیزورهای شناخته شده آنزیمهای طبیعی هستند. آنزیمهای طبیعی در شاخه ساختارهای کووالانسی قرار می‌گیرند. شیمیدانان با ساخت آنزیمهای مصنوعی، از فعالیت و انتخاب‌پذیری فوق العاده آنها استفاده می‌کنند.

نانوراکتورهای مولکولی مهمترین ویژگی یک آنزیم این است که... کمپلکس فعال شده آن بیش از کمپلکس آنزیم- ماده اولیه پایدار می‌شود. این پایداری به دلیل حضور برهمکنش‌های اتصال‌دهنده اضافی در حالت گذار (Transition State) واکنش است. برای اینکه مولکول طراحی شده مشابه کارآمدی از آنزیم باشد... مولکول طراحی شده نیازمند یک حفره یا جایگاه اتصال است تا به طور انتخاب‏پذیر ماده اولیه مورد نظر را تشخیص داده و به آن متصل شود.

نانوراکتورهای مولکولی دو مورد زیر از نخستین نمونه‌های ساده از مشابه‌های آنزیمی هستند: اترهای تاجی (Crown Ethers) ترکیبات حفره‌دار مانند (Cryptands) با گروه‌های عاملی فعال

نانوراکتورهای مولکولی از آغاز دهه 70 میلادی، سیکلودکسترین‌ها (Cyclodextrins, CDs) به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. CDs: مولکول‌های طبیعی حفره‌دار هستند.

نانوراکتورهای مولکولی پورفیرینهای (Porphyrin) آهن که به طور کووالانسی به یک یا تعداد بیشتری مولکول سیکلودکسترین متصل شده‌اند، به عنوان کاتالیزور در فرآیند اکسایش به کار می‌روند.

نانوراکتورهای مولکولی کپسولهای ساخته شده به شیوه کووالانسی در واکنشهای شیمیایی بسیاری به عنوان کاتالیزور مورد استفاده قرار گرفته‌اند اما.. با افزایش مقدار و پیچیدگی محصولات واکنش، طراحی و تهیه کاتالیزورهای کپسول ‏شکل به روش کووالانسی بسیار دشوار می‌شود. تهیه کپسولها مستلزم سنتزهای چند مرحله‌ای پرهزینه است.

نانوراکتورهای مولکولی در دو دهه اخیر، روش غیر‌کووالانسی برای ساخت کاتالیزورها مورد توجه قرار گرفته است. در این روش کپسولهای خودآرا از طریق برهمکنشهای برگشت‌پذیر غیر‌کووالانسی شامل پیوند هیدروژنی و برهمکنشهای فلز- لیگاند تشکیل می‌شوند. دو نمونه از کپسولهای خودآرا که به وسیله پیوند هیدروژنی ایجاد شده‌اند:

نانوراکتورهای مولکولی نمونه‌ای از کپسولهای خودآرا با برهمکنشهای فلز- لیگاند: به دلیل مشابه بودن شکل این ساختارها با جعبه‌ای با انتهای باز، جعبه مولکولی (Molecular Box) نامیده می‌شوند. ابعاد حفره داخلی این نانوراکتور nm 8/1×8/1×8/1 است. با قرار گرفتن کمپلکسی از منگنز (III) به عنوان مهمان درون آن، این سامانه برای اکسایش آلکنها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

نانوراکتورهای مولکولی سامانه‌های مبتنی بر میسل و وزیکول (Micelle And Vesicle-based Systems) ایده ساخت چنین نانوراکتورهایی از غشای سلولی گرفته شده است. بخش عمده غشای سلولی فسفولیپیدها هستند که مولکولهایی دوگانه دوست (Amphiphilic) محسوب می‌شوند. مولکولهای دوگانه دوست دارای یک سر فسفاتی باردار آبدوست و یک انتهای هیدروکربنی آبگریز می‌باشند.

نانوراکتورهای مولکولی انواعی از گونه‌های دوگانه دوست سنتز شده‌اند. خودآرایی دوگانه دوست‌ها در محیط آبی همراه با فرآیند انبوهه شدن است. این فرایند منجر به تشکیل میسل (ساختار یک لایه) یا وزیکول (ساختار دولایه) می‌گردد.

انواعی از مولکولهای دوگانه دوست و نام اختصاری آنها ساختار مولکول نام اختصاری SDS DDP DHP

انواعی از مولکولهای دوگانه دوست و نام اختصاری آنها ساختار مولکول نام اختصاری DTAB CTAB CTACl

انواعی از مولکولهای دوگانه دوست و نام اختصاری آنها ساختار مولکول نام اختصاری OTACl DDDAB DHDAB

انواعی از مولکولهای دوگانه دوست و نام اختصاری آنها ساختار مولکول نام اختصاری DODAC DMPC DPPC

نانوراکتورهای مولکولی آنچه تعیین‌کننده تشکیل میسل یا وزیکول در محیط آبی است، عامل تراکم (Packing Parameter) می باشد که با p نشان داده می‌شود.

نانوراکتورهای مولکولی با قرار گرفتن گونه‌ای عامل‌دار یا کاتالیزوری درون میسلها که ابعاد نانومتری دارند، یک نانوراکتور شکل می‌گیرد.

نانوراکتورهای مولکولی در مورد وزیکول امکان انجام واکنش در سطح یا درون غشای وزیکول و یا درون حفره آن وجود دارد. سطح وزیکول از سطح میسل منظم‌تر است و بهتر می‏تواند واکنشی را که در نزدیک آن انجام می شود تحت تاثیر قرار دهد.

نانوراکتورهای مولکولی از مهم‌ترین کاربردهای حفره داخلی وزیکول می‌توان به استفاده از آن در فرآیند دارورسانی و انجام واکنشهای آنزیمی به عنوان یک نانوراکتور زیستی اشاره کرد.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) پلیمرزوم‌ها (Polymersomes) بسپارها (Polymers) به سبب ساختار، جرم مولکولی، گروه‌های عاملی و شکلهای متنوع کاربردهای زیادی دارند. استفاده از پلیمرها به عنوان نانوراکتور به صورت درشت مولکولی منفرد با درونی میان تهی و یا به شکل ساختارهای خودآرا با یک یا چند حفره، زمینه‌ای جدید محسوب می‌شود.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) وزیکول از درشت مولکولهای دوگانه دوست یعنی همبسپارهای دسته‌ای (Block Copolymers) تهیه می‌شود. در این صورت به این وزیکولها پلیمرزوم اطلاق می‌گردد.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) مزیت پلیمرزوم نسبت به وزیکول معمولی.. پایداری بیشتر و استحکام غشای آن است. این وضعیت سبب افزایش طول عمر پلیمرزوم می‌شود. گستردگی تکپارها (Monomers) و امکان تغییر نسبت دو دسته در هم‌بسپارهای دسته‌ای موجب تغییرپذیری در ویژگی‌های پلیمرزوم می‌شود که عبارتند از : اندازه، قطبیت، پایداری و سمیت پلیمرزوم

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) به دلیل ضخامت بیشتر غشا در این ساختارها، نفوذپذیری پلیمرزوم کاهش می‌یابد. در پلیمرزوم‌ها اغلب برای کپسوله کردن مولکول‌هایی مانند پروتئین‌ها از حفره داخلی استفاده می‌شود.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) میسلهای بسپاری (Polymeric Micelles) میسل از بسپارها نیز تهیه شده، و به عنوان نانوراکتور مورد استفاده قرار می‌گیرد. شکلی که هم‌بسپارهای دسته‌ای به خود می‌گیرند همان شکل میسل‌ها است. دسته قطبی در خارج و غیرقطبی در سمت داخل یا برعکس قرار می‌گیرد. این وضعیت به قطبیت یا عدم قطبیت حلال بستگی دارد.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) میسل‌های پلیمری دارای شکلهای از قبیل کروی، میله‌ای و شش ضلعی هستند. این ترکیبات دارای بخشی می‌باشند که توانایی تطبیق با حل‌شونده را دارد و از آنها برای پایدار کردن نانوذرات فلزی استفاده می‌شود.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) وجود پوسته پلیمری اطراف ذرات فلزی از کلوخه‌ای شدن (Agglomeration) آنها جلوگیری می‌کند. میسل‌های هم‌بسپارهای دسته‌ای، به دلیل آنکه نانوذرات فلزی در درون آنها ساخته می‌شوند، نانوراکتور به حساب می‌آیند.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) نانوراکتورهای تک مولکولی طبیعت پویای میسلهای بسپاری دلیل حساس بودن آنها به شرایط محیطی است. ساختارهای کووالانسی نظیر موارد زیر برای رفع این مشکل استفاده می‌شوند: درختسانها (Dendrimers) بسپارهای پرشاخه (Hyperbranched Polymers) بسپارهای ستاره‌ای (Star Polymers)

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) ترکیبات تک مولکولی (Unimolecular) از جهت دارا بودن قسمتی داخلی که قادر به تطبیق با مولکول‌های مهمان است، شبیه میسل‌ها هستند . تفاوت اصلی آنها با میسل‌ها نداشتن چیدمان پویا و تغییرپذیر است. درختسان، مولکولی منفرد با هسته‌ای مرکزی است که از آن شاخه‌هایی شعاعی به طور منظم خارج شده است.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) سه نوع نانوراکتور درختسان وجود دارد: درختسان‌هایی با هسته‌ای که از نظر کاتالیزوری فعال باشد. انواعی که مستقیماً در واکنش وارد نمی‌شوند. انواعی که کاتالیزورهای فعال نانوذرات فلزی را پایدار می‌کنند.

نانوراکتورهای درشت مولکول (Macromolecular Nanoreactors) بسپارهای پرشاخه و ستاره‌ای متناظرهای ارزان قیمت درختسان‌ها محسوب می‌شوند چون.. این ساختارهای درشت مولکول سه بعدی را می‌توان به آسانی با استفاده از روش‌های بسپارش (Polymerization) متداول تهیه نمود. این ساختارها قادرند کاتالیزورهای فعال کمپلکس فلزی و نانوذرات را از طریق هسته خود به صورت کپسوله شده درآورند.

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) قفسهای پروتئینی (Protein Cages) در طبیعت انواع مختلف پروتئینها وجود دارند. این پروتئینها وسایل حمل یا ذخیره‌سازی یونهای فلزی و مواد معدنی هستند. فریتین (Ferritin) پروتئین ذخیره‌سازی آهن است. فریتین بیش از بقیه مورد مطالعه قرار گرفته و استفاده از آن و دیگر پروتئینهای ذخیره‌سازی به عنوان نانوراکتور توسعه زیادی یافته است.

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) فریتین در جانوران، گیاهان و موجودات میکروبی یافت می‌شود. این ترکیب شامل یک هسته مرکزی اکسید آهن (III) آبدار است که به وسیله پوسته پروتئینی کپسوله شده است.

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) فریتین‌ها پروتئین‌هایی قدرتمند هستند. فریتین‌ها قادر به تحمل دمای زیاد (oC 85) و pH بالا (9-5/8) هستند بدون آنکه درهم ریختگی قابل توجهی در ساختار چهارم آنها ایجاد شود.

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) مولکولهای فریتین فاقد آهن (Apoferritin)، از بیست و چهار زیر واحد پلی پپتید تشکیل شده‌اند. قطر خارجی پروتئین nm 12 و قطر داخلی آن nm 8 است. حدود 4500 اتم آهن می‌توانند درون حفره پروتئین جای گیرند.

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) برخی از موارد استفاده فریتین تولید نانوبلورهای فرومغناطیس درون حفره آن و ساخت یک پروتئین مغناطیسی استفاده از هسته اکسید آهن فریتین به عنوان کاتالیزور در واکنشهای احیای نوری (Photoreduction) اصلاح سطح پروتئین با آلکیل‌دار کردن آن

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) اصلاح سطح پروتئین با آلکیل موجب انحلال‌پذیری فریتین در اغلب حلال‌های آلی می‌شود. بنابراین پروتئین آلکیل‌دار شده به عنوان نانوراکتوری برای واکنشهای تراکمی آلکوکسیدهای فلزی و سایر ترکیبات آلی- فلزی مشابه که فقط در محیط غیر‌آبی امکان پذیر است، مورد استفاده قرار می‌گیرد. به غیر از فریتین، از پروتئین‌های دیگری مانند آنزیمهای باکتری‌ها نیز به عنوان نانوراکتور استفاده شده است.

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) ویروسها ذرات ویروس شامل چند صد تا چند هزار مولکول پروتئین هستند. این ذرات با خودآرایی، ساختاری میان تهی ایجاد می‌کنند که نوکلئیک اسید را در بر می‌گیرد.

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) قفس پروتئینی خودآرا کپسید (Capsid) نامیده می‌شود. کپسید ساختاری قدرتمند با اندازه و شکلهای گوناگون است. ویروسها به عنوان قالب در تهیه نانومواد به کار برده می‌شوند.

نانوراکتورهای درشت مولکول های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) ویروس موزاییک تنباکو (Tobacco Mosaic Virus) ویروسی میله‌ای شکل است. شناخته شده‌ترین ساختار خودآرای زیستی است. توانایی تحمل دمای oC 60 و pH بین 2 تا 10 را داراست .

نانوراکتورهای درشت مولکول‌های زیستی (Biomacromolecular Nanoreactors) ویروس موزاییک تنباکو از 2130 واحد سازنده پروتئینی یکسان تشکیل می‌شود. این پروتئینها لوله‌ای میان تهی با اندازه nm 18×300 و قطر داخلی nm 4 ایجاد می‌کنند. با اصلاح سطح خارجی و داخلی قفس پروتئینی این ویروس، از آن در واکنشهایی نظیر نوکلئیک‌دار کردن جامدهای معدنی استفاده شده است. با کنترل شیمیایی بار سطح ویروس، سطح خارجی یا داخلی کپسید به طور انتخابی فلزدار می‌شود.

بحث و نتیجه‌گیری طبیعت، نانوکارخانه حیات را درون سلولها قرار داده است. مشابه‌های سلولها از خودآرایی واحدهای سازنده سنتزی و زیستی تشکیل می‌شوند. مولکولها، درشت مولکولها و درشت مولکولهای زیستی هر کدام مزایای قابل توجهی در تشکیل نانوراکتورهای خودآرا که بتوانند گونه‌ای را درون کپسول خود قرار دهند نشان می‌دهند. هر چقدر از واحدهای سازنده طبیعی مانند گونه‌های دوگانه دوست مبتنی بر آنزیم و کپسید ویروسها بیشتر استفاده شود به هدف مدل‌سازی سامانه‌های طبیعی نزدیک‌تر می‌شویم.