KEMI: De bygger maskiner av molekyler

Som tredjeårsstudent på kemiutbildningen vid universitetet i nederländska Groningen byggde Bernard Feringa sin första molekyl. När handledaren förklarade att ”det du har gjort har ingen annan gjort tidigare”, var han fast. Drygt 40 år senare tar han emot Nobelpriset i kemi för de makalösa små motorer han har lyckats bygga i sitt labb.

– Jag gillar att designa molekyler, det är som att vara barn och leka med lego, säger han när Forskning & Framsteg når honom per telefon.

Knappt en vecka har gått sedan han fick telefonsamtalet från Stockholm. Så fort det blev känt fylldes korridoren utanför hans rum av firande studenter. Intervjuerna har avlöst varandra.

– Det har varit som att åka berg-och-dal-bana, säger han.

Enligt priskommittén har de molekylära maskinerna tagit kemin till ”en ny dimension”.

– Jag hoppas att priset ska bli en boost för hela området, säger Bernard Feringa.

Han känner de båda andra pristagarna, Jean-Pierre Sauvage och Fraser Stoddart, väl. Tillsammans har de lagt grunden till det nya forskningsfältet, som handlar om att konstruera och tämja molekyler så att de kan styras och utföra ett arbete när man tillför energi.

– Att kontrollera molekylerna är en stor utmaning – de rör sig som galningar, säger Bernard Feringa och syftar på deras slumpvisa så kallade brownska rörelser.

Utvecklingen av de molekylära maskinerna tog fart på 1980-talet. Det första problemet var att konstruera molekyler med rörliga delar som kan röra sig i förhållande till varandra. Det gällde då för kemisterna att hitta nya mekaniska sätt att länka ihop de olika delarna i stället för de kemiska bindningar som normalt sett håller ihop atomerna.

Jean-Pierre Sauvage tog ett viktigt första steg 1983 genom att visa att det går att tillverka kedjor av ringformade molekyler. Tricket var att använda en kopparjon som ett slags klister.

År 1991 satte Fraser Stoddart fast en molekylär ring på en axel. När han tillförde värme hoppade ringen fram och tillbaka som en liten skyttel. Några år senare kunde han kontrollera rörelsen. Med hjälp av den här konstruktionen, som kallas rotaxan, har han och hans forskargrupp bland annat byggt en hiss i miniformat och en konstgjord muskel. I samarbete med andra forskare har han också lagt grunden till en molekylär dator med ett rotaxanbaserat datorchip.

Även Jean-Pierre Sauvage har använt rotaxaner för att bygga en struktur som kan dras ihop och tänjas ut som en muskel.

Men trots många försök hade ingen lyckats bygga en motor som kontrollerat snurrar åt ett och samma håll. Det skulle dröja till 1999. Då lyckades Bernard Feringa tillverka en molekyl som vred sig runt en axel, med ljus och värme som bränsle.

Sedan dess har han och hans kolleger byggt fler än 50 olika nanomotorer, bland annat en fyrhjulig bil som kan ta sig fram över en yta.

Bernard Feringa har också visat att nanomotorerna kan användas för att sätta snurr på objekt som är 10 000 gånger större än själva motorn. Det är som om myror skulle kunna hantera någonting som är 100 meter långt.

Än så länge har ingen av pristagarnas maskiner kommit till praktisk nytta. Men man kan jämföra med den elektriska motorn på 1830-talet. Då visade vetenskapmän upp snurrande vevar och hjul, utan att veta att detta senare skulle leda till elbilar, tvättmaskiner och robotar.

Förhoppningarna är stora. Tekniken kan ge nya smarta material som kan ändra form och egenskaper när de utsätts för ljus, och nanorobotar med små motorer skulle kunna transportera medicin till en tumör inne i kroppen.

Ett första användningsområde kan bli läkemedel som kan aktiveras med hjälp av ljus. En rad sådana försök har gjorts.

I ett av sina senaste projekt använder Bernard Feringa en molekylär brytare för att sätta på och stänga av aktiviteten hos antibiotika med hjälp av ultraviolett ljus.

– Det kan minska problemet med resistens genom att antibiotikan bara är aktiv där den behövs och så länge den behövs, säger Bernard Feringa. Han tillägger dock att det är minst tio år kvar innan tekniken kan användas inom sjukvården.

Många forskargrupper runt om i världen jobbar vidare utifrån pristagarnas arbete.

För tre år sedan visade till exempel en forskargrupp vid University of Manchester upp en nanorobot som kunde bygga ihop aminosyror till en kedja, en peptid. Samma sak sker i cellerna med hjälp av ribosomerna, som är en av många molekylära motorer som finns i naturen.

Men att försöka kopiera naturen är svårt. Bernard Feringa jämför med flyget.

– Duvor flyger, men vi har inte kopierat dem för att bygga flygplan.

Jean-Pierre Sauvage

Född den 21 oktober 1944 i Frankrike. Professor vid l’Université de Strasbourg, Frankrike.

Sir J. Fraser Stoddart

Född i Storbritannien den 24 maj 1942. Professor vid Northwestern university, Evanston, IL, USA.

Bernard L. Feringa

Född den 18 maj 1951 i Nederländerna. Professor vid Rijksuniversiteit Groningen, Nederländerna.