Поехавшие молекулы
Нобелевская премия по химии в 2016 году досталась Жан-Пьеру Саважу (Франция), Джеймсу Фрейзеру Стоддарту (США) и Бернарду Феррингу (Нидерланды) за одно общее достижение – разработку и синтез молекулярных машин, позволяющих перемещать молекулы в заданном направлении. Каждый из лауреатов разработал свой метод синтеза молекулярных машин, за что и был удостоен награды.
Создание молекулярных машин на публичной лекции в 1984 году предсказал еще Ричард Фейнман – один из создателей квантовой электродинамики. За год до этого Жан-Пьер Саваж разработал первый метод синтеза молекул с отсутствием внутренних химических связей, послуживший основой будущих открытий.
Куда едет молекулярная машина?
Молекулярная машина никуда не едет. Молекулярная машина состоит из молекул, которые не образуют химической связи между собой и из которых мы можем составить конструкцию любой формы. Такое сооружение изначально неподвижно, но Саважу, Стоддарту и Феррингу удалось «завести» молекулярную машину и управлять ею. Правда, по аналогии со стилем вождения у автолюбителей, у каждого ученого был свой подход и метод в работе над исследованием.
Кольца Саважа
Первый шаг к подвижности молекулярной машины сделал Жан-Пьер Саваж. Его главное достижение – упрочнение позиций катенана, цепи из двух кольцевых молекул, внутри которой они соединяются не сильными ковалентными связями (из-за чего и неподвижны), а более свободно – механически. Ученый создал конструкцию в виде двух объединенных колец, которая позволила частям миниатюрной машины двигаться относительно друг друга.
Синтез катенанов методом Саважа
Члены комитета премии попытались объяснить принцип работы катенана на примере, как ни странно, бублика, который они назвали красивым, но «неработающим». Чтобы он заработал его было необходимо к чему-нибудь присоединить. Затем ученые показали изделие, похожее на цепь из бубликов: «Это нечто, что кажется более уродливым, но зато здесь есть два колеса, которые могут двигаться друг относительно друга».
Интересно, что катенан замечали и другие ученые еще с 1963 года, но они считали это скорее любопытной случайностью, выход которой составляет не больше 2-3%. Однако в 1983 году Саваж придумал уникальную методологию, позволяющую увеличить выход катенана до 42% на этапе первых экспериментов.
Челночный бег Стоддарта
За катенаном последовала работа с ротаксаном, с помощью которого второй лауреат Фрейзер Стоддарт в 1991году заставил молекулярные кольца двигаться не друг относительно друга, а вдоль оси. Ротаксан можно представить как длинную цепочку со свободно надетым на нее кольцом, которое «не сваливается» благодаря двум крупным сдерживающим конструкциям по краям.
Спустя три года экспериментов с ротаксаном свет увидела первая система, позволяющая регулировать движение внутри молекулярной машины за счет внешних воздействий. С тех пор в стенах лаборатории Стоддарта синтезировалось множество молекулярных машин, в том числе известный молекулярный лифт, способный подниматься на высоту 0,7 нм, а также искусственные мышцы из ротаксанов, гнущие тонкую фольгу из золота. Причем если ранее это была лишь неизученная и довольно интересная сфера химии, то разработки Стоддарта указали на ее конкурентоспособность.
Синтез ротаксана
Ротаксановый флирт
Бен Ферринг: камера, мотор!
В свою очередь третий Нобелевский лауреат 2016 года, Бен Ферринг, разработал молекулярный мотор, в основе которого лежит уравновешенная система из неподвижных без внешнего воздействия блоков. Конструкцию можно легко привести в движение с помощью света. Как это происходит? Луч света, направленный на вышеописанные блоки, частично разрушает двойную связь С-С, что позволяет блокам вращаться друг относительно друга. При этом важно, чтобы геометрия блоков позволяла им вращаться в одном направлении.
«Есть мотор – будет и наномашина!», – решил Ферринг и изобрел первую в мире четырехколесную конструкцию, способную «ехать» в заданном направлении под воздействием света.
Машина Бернарда Феринги: молекулярный ротор вращается под действием УФ-излучения
Заводи, поехали!
Практическое использование молекулярных машин в повседневной жизни ограничивается сложностью их постройки: не так-то просто собрать четырехколесный наноавтомобиль, способный ехать в заданном направлении под воздействием света.
Главная особенность молекулярных машин заключается в их способности перемещать объекты, превышающие их вес в 10 000 раз. Это уже используют в фармакологии: наноавтомобили занимаются доставкой лекарств прямиком к клеткам. Например, известно лекарство от рака комбретастин А-3, которое атакует не только пораженные, но и здоровые клетки. Чтобы лекарство работало, необходимо «доставлять» его точно по адресу – в больные клетки. Тут на помощь и приходят высокоточные молекулярные машины.
Наноавтомобилям пророчат широкие перспективы: это и «молекулярная хирургия»,и целевая коррекция биохимический функций и много чего еще, о чем химики пока умалчивают. По сути молекулярные машины – это фундаментальное открытие, настоящую важность которого человечество оценит спустя несколько десятков лет.
Кристина Куплинова