Knutar som kan lösa framtidens problem

Fredrik Schaufelberger blev biträdande lektor inom organisk kemi i september förra året och har precis välkomnat flera nya medarbetare till sin nystartade forskargrupp.

– Jag är ny på jobbet, det har gått snabbt framåt men vi har fortfarande en väldigt junior grupp. Den senaste tiden har handlat om att starta upp labbet och söka anslag. Jag har haft en otrolig tur att hitta extremt talangfulla människor som vill jobba med mig, det gör jobbet superroligt och spännande varje dag.

Gruppen forskar inom supramolekylär kemi och framför allt på en klass av föreningar som kallas molekylära maskiner. Det är molekyler vars rörelser går att kontrollera med externa stimuli, och som kan utföra arbete om energi tillförs. Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Frasier Stoddart och Bernard L. Feringa, som tog fram de första molekylerna inom denna klass, belönades 2016 med Nobelpriset för sina upptäckter.

– Molekylära maskiner är ett ganska nytt fält med mycket potential. Det är inget som nått ett kommersiellt stadium ännu, utan mycket av det alla gör är grundforskningsbetonat.

Beter sig som maskiner

Många molekylära maskiner baseras på så kallade mekaniska bindningar. Detta är separata molekyler som kopplats samman mekaniskt, som olika länkar i en kedja. Genom att mekaniskt sammankoppla molekyler i olika konstellationer går det därigenom att få dem att verka som en enda molekyl, med skillnaden att man kan lätt kontrollera rörelserna runt den mekaniska bindningen. De resulterande molekylära maskinerna kan exempelvis fungera som motorer eller transportörer som flyttar runt andra molekyler.

– De beter sig som maskiner, rör sig på förutsägbara sätt och kan utföra funktioner. Det är enkla system än så länge, molekyler som snurrar i en specifik riktning eller dylikt. Men precis som ett vattenhjul kan driva en hel väderkvarn är mekanisk rörelse oerhört kraftfullt på molekylär skala om den kopplas samman med andra processer, säger Fredrik Schaufelberger.

I mars publicerade han en artikel i den vetenskapliga tidskriften Science, som handlade om ett arbete han gjort inom ramen för sin postdoc. Det handlade om att utveckla en specifik sorts mekaniska bindningar, så kallade molekylära knutar. I artikeln visade teamet från University of Manchester den mest komplexa molekylära knuten hittills, stor som ett mindre protein och med ett mönster som använts mycket i keltisk kultur.

– Molekylära knutar var länge ganska svåra att göra, så mycket av min postdoc handlade om att pusha längre inom fältet. Vi brukade skoja om att vi var molekylära scouter, eftersom vi varje dag jobbade med knopar och knutar på molekylär nivå. Knutarna kan användas i katalysatorer, som sensorer, eller för att dopa kirala material. Och andra grupper har börjat titta på dem som läkemedel. Man börjar hitta ganska mycket användningsområden för sådana här obskyra molekyler, säger han.

Bildas med spegelformer

Just knutar är enligt Fredrik Schaufelberger särskilt intressanta eftersom de besitter en inneboende kiralitet, det vill säga att de är höger- eller vänstervridna beroende på hur knuten har knutits.

– Molekylära knutar bildas med olika spegelformer eftersom de kan vara knutna vänster över höger eller tvärtom. Det innebär att de är ”topologiskt kirala”, vilket är en outforskad och väldigt spännande källa till kiralitet. Eftersom naturen i sig själv har en vridning så kommer allt vi låter interagera med biologiska system – som läkemedel – agera olika beroende på dess spegelform. Så nya former av kiralitet är alltid jätteintressant i breda sammanhang. Till exempel utnyttjade vi i en annan artikel att vi kunde knyta spegelformer för att skapa intressanta material, där materialets utseende på centimeterskala kan förändras drastiskt bara genom att knuta en knut på nanometerskala, säger han.

Nu har forskarna använt en ny och kraftfullt metod för att skapa molekylära knutar. De låter molekylkedjor vecka sig över metaller så att de trasslar in sig i varandra och bildar avancerade knutmönster. Nästa steg är att använda tekniken för att skapa komplexa molekylära vävar.

Vad skulle molekylära vävar vara bra för?

– Det vet vi inte, eftersom det inte har gått att göra några sådana i stor utsträckning förut. Om det är något som man inte kan göra vet man inte vad som är bra med det. Men jämför till exempel med vävar på makronivå. Hittills har forskare mest kunnat studera enskilda molekylärkedjor, vilket kan liknas vid separata trådar. Kan man väva kan man istället plötsligt studera hela tyger, eller sakerna som man kan sy av tygerna.

Grundforskningen som lett fram till upptäckten är dock tidskrävande och kostsam. Fredrik Schaufelberger säger därför att hans nystartade grupp nu kommer att ägna sig åt att forska på mekaniska bindningar på en lite enklare och mer handfast nivå. De arbetar nu med en klass av hantelformade molekyler med mekaniska bindningar som kallas rotaxaner.

– Vi vill gärna se att forskningen inom molekylära maskiner ska gå mot applikation. Vi vill föra molekylerna närmare biomedicin, och använda dem för att styra biologiska funktioner. Vi har tagit vår bakgrund inom organisk kemi och integrerat den med biokemi och biomaterial. I praktiken är det på ganska enkel nivå, där vi tar väletablerade molekylära maskiner och tittar på hur man kan integrera dessa med biologiska system, säger Fredrik Schaufelberger.

Text: Sabina Fabrizi