德国科学家在纳米尺度上的一项最新观察研究，验证了生命进化的基础性的一步，即分子的自动组装和自我选择（self selection）。相关论文发表在近期的美国《国家科学院院刊》（PNAS）上。
该实验简单说来，就是让多种不同的平面分子结构在内嵌指令（built-in instructions）的作用下激活，并在母板表面寻找自己适合的位置。其间，这些分子会表现出自我选择——那些处在错误位置的分子会为正确的分子让出位置。而分子的这种特性，也是无生命的分子可以最终成为生命体的基础。
领导该项研究的是德国马普固体研究所（Max Planck Institute for Solid State Research）的Klaus Kern和德国卡尔斯鲁厄理工学院（KIT）的Mario Ruben。他们表示，对表面上分子组装的观察有望进一步加深科学家对简单、无机的分子如何最终构建成为生命实体过程（如膜—细胞—树叶—树）的理解，在这一过程中，它们的结构和功能的复杂性大大提高。而毫无疑问的是，所有以分子为基础的系统形成都需要分子具备选择性地对自己分类的能力。
Mario Ruben的小组在研究中主要负责设计具有内嵌指令的分子，从而可以激活自我选择过程。Ruben表示，精细而强大的内嵌指令对随机混合的分子自发地进行调整至关重要。
马普研究所的科学家则通过成像，直接对分子的自我选择过程进行了观测。分子组装而成的类似格子的结构能按照自身大小进行自我分类。值得注意的是，这些格子的尺寸只有大约1纳米，因此只能利用超敏感的显微设备进行观测和成像。马普研究所的Steven Tait表示，“利用现行技术创造这样的纳米结构效率极低而且十分昂贵。我们的策略就是利用那些能够根据指令排列成想要的结构的建筑分子。”
实验中的分子被置于干净的金属表面，并适度加热以便它们能够运动、排列和组织。论文第一作者、马普研究所的Alexander Langner表示，“分子在铜表面的运动被限制在二维，但这对分子混合来说足够了。将分子排列在表面上对观测大有帮助。”
这种研究方法和研究结果有望为新型催化剂和纳米技术的开发开辟一条新的道路。（科学网 任霄鹏/编译）
原始出处:
Published online before print November 1, 2007
Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 10.1073/pnas.0704882104
Self-recognition and self-selection in multicomponent supramolecular coordination networks on surfaces
Alexander Langner*, Steven L. Tait*,, Nian Lin*,, Chandrasekar Rajadurai, Mario Ruben,, and Klaus Kern*,¶
*Max Planck Institute for Solid State Research, Heisenbergstrasse 1, D-70569 Stuttgart, Germany; Institute of Nanotechnology, Research Center Karlsruhe, PF 3640, D-76021 Karlsruhe, Germany; and ¶Institute de Physiques des Nanostructures, Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, CH-1015 Lausanne, Switzerland
Edited by Jean-Marie P. Lehn, Université Louis Pasteur, Strasbourg, France, and approved September 14, 2007 (received for review May 24, 2007)
Abstract
Self-recognition, self-selection, and dynamic self-organization are of fundamental importance for the assembly of all supramolecular systems, but molecular-level information is not generally accessible. We present direct examples of these critical steps by using scanning tunneling microscopy to study mixtures of complementary organic ligands on a copper substrate. The ligands coordinate cooperatively with iron atoms to form well ordered arrays of rectangular multicomponent compartments whose size and shape can be deliberately tuned by selecting ligands of desired length from complementary ligand families. We demonstrate explicitly that highly ordered supramolecular arrays can be produced from redundant ligand mixtures by molecular self-recognition and -selection, enabled by efficient error correction and cooperativity, and show an example of failed self-selection due to error tolerance in the ligand mixture, leading to a disordered structure.
nanostructure | scanning tunneling microscopy | self-assembly | surface chemistry | organic molecule ligands
