Сегодня стали известны лауреаты Нобелевской премии по химии 2016 года. "За проектирование и синтез молекулярных машин" трое химиков получат в общей сложности 58 миллионов рублей - Жан-Пьер Соваж (Франция), сэр Фрейзер Стоддарт (США) и Бернард Феринга (Голландия). О том, что такое молекулярные машины и почему их создание заслуживает столь престижной научной награды, рассказывает Лайф.
Что такое машина в максимально общем понимании этого термина? Это устройство, заточенное под определённые операции, способное их выполнять "в обмен" на топливо. Машина может вращаться, поднимать или опускать какой-либо объект, может даже работать в роли насоса.
Но насколько малой может быть такая машина? Например, некоторые детали механизмов часов выглядят совсем уж крошечными - может ли что-то быть меньше? Да, безусловно. Физические методы позволяют вырезать шестерёнку диаметром в пару сотен атомов. Это в сотни тысяч раз меньше, чем знакомый по школьной линейке один миллиметр. В 1984 году нобелевский лауреат Ричард Фейнман задал физикам вопрос о том, насколько маленьким может быть механизм с подвижными частями.
Фейнман был вдохновлён примерами из природы: жгутики бактерий, позволяющие этим мельчайшим организмам двигаться, вращаются благодаря комплексу, состоящему из нескольких молекул белков. Но может ли человек создать что-то подобное?
Молекулярные машины, состоящие, возможно, из всего одной молекулы, кажутся чем-то из области фантастики. В самом деле, мы только недавно научились манипулировать атомами (известный эксперимент IBM произошёл в 1989 году) и работать с одиночными неподвижными молекулами. Для этого физики создают огромные установки и тратят невероятные усилия. Тем не менее химики нашли путь, позволяющий сразу создавать квинтиллионы таких устройств. Именно он и стал предметом Нобелевской премии 2016 года.
Главной проблемой в создании машины, состоящей из одной молекулы, является химическая связь. Именно то, что связывает все атомы молекулы воедино, мешает ей иметь подвижные части. Для того чтобы разрешить это противоречие, химики "придумали" новый тип связи - механический.
На что похожи механически связанные молекулы? Представим себе большую молекулу, атомы в которой выстроились в кольцо. Если продеть через неё другую цепочку атомов и тоже замкнуть её в кольцо, мы получим частицу, которую невозможно разделить на два кольца, не разорвав химических связей. Получается, что с точки зрения химии эти кольца связаны, но настоящей химической связи между ними нет. Кстати, такую конструкцию назвали катенаном, от латинского catena - цепь. Название отражает то, что такие молекулы похожи на звенья цепочки, соединённые между собой.
Лауреат из Франции, Жан-Пьер Соваж, получил премию во многом за прорывные работы, касавшиеся методов синтеза катенанов. В 1983 году учёный придумал, как можно подобные молекулы получать целенаправленно. Он не стал первым, кто синтезировал катенан, но метод темплатного синтеза, предложенный им, используется и в современных работах.
Есть и другой класс механически связанных соединений, он называется ротаксаны. Молекулы таких соединений состоят из кольца, сквозь которое продета цепочка атомов. На концах этой цепочки химики помещают специальные "затычки", не позволяющие кольцу соскользнуть с цепи. Ими занимался другой нобелевский лауреат этого года, сэр Джеймс Фрейзер Стоддарт. Кстати, урождённый шотландец Стоддарт является обладателем титула рыцаря-бакалавра. Посвятила его в рыцари сама королева Елизавета II за его работы по органическому синтезу. Впрочем, сейчас Стоддарт работает в США, в Северо-западном университете.
В этих классах соединений отдельные фрагменты могут свободно перемещаться друг относительно друга. Кольца катенанов могут свободно вращаться друг относительно друга, а кольцо на ротаксане способно скользить вдоль цепочки. Это делает их хорошими кандидатами на роль молекулярных машин, которыми заинтересовался Фейнман. Однако, чтобы эти конструкции можно было так назвать, от них необходимо добиться ещё одного - управляемости.
Специально для этого химики воспользовались базовыми идеями электростатики: если сделать одно из колец заряженным, а на втором кольце (или цепочке) поместить фрагменты, которые могут изменять свой заряд под действием внешних воздействий, то можно заставить кольцо отталкиваться от одной области кольца (или цепочки) и перемещаться к другой. В первых экспериментах учёные научились заставлять молекулярные машины выполнять подобные операции с помощью химических воздействий. Следующим шагом стало использование для тех же целей света, электрических импульсов и даже просто тепла - эти способы передачи "топлива" позволили ускорить работу машин.
Отдельно стоит выделить работу третьего лауреата, Бернарда Феринги. Голландскому химику удалось обойтись без механически связанных молекул. Вместо этого учёный нашёл способ заставить вращаться молекулы соединения, содержащего традиционные химические связи. В 1999 году Феринга продемонстрировал молекулу, похожую на две соединённых между собой лопасти. Каждая из этих лопастей пыталась отталкиваться друг от друга, а их несимметричная форма делала выгодным вращение лишь в одном направлении, словно бы на "оси" между этими лопастями находился храповик .
Для того чтобы заставить молекулу работать как ротор, было достаточно просто посветить на неё ультрафиолетом. Лопасти начинали вращаться друг относительно друга в строго заданном направлении. Позднее химики даже закрепили такие молекулы-роторы на огромной (по сравнению с самим ротором) частице и таким образом заставили её вращаться. Кстати, скорость вращения свободного ротора может достигать десятка миллионов оборотов в секунду.
С помощью этих трёх простейших молекул химики смогли создать целый набор разнообразных молекулярных машин. Одним из самых красивых примеров является молекулярная "мышца", представляющая собой странный гибрид катенана и ротаксана. При химических воздействиях (добавлении солей меди) "мышца" сокращается на два нанометра.
Другой вариант молекулярной машины - "лифт", или подъёмник. Его представила в 2004 году группа Стоддарта на основе ротаксанов. Устройство позволяет поднимать и опускать молекулярную площадку на 0,7 нанометра, производя "ощутимое" усилие в 10 пикопаскалей.
В 2011 году Феринга показал концепцию четырёхроторной молекулярной "машины", способной ездить под действием электрических импульсов. "Наномашину" не только удалось построить, но и удалось подтвердить её работоспособность: каждый оборот роторов и в самом деле немного менял положение молекулы в пространстве.
Хотя эти устройства выглядят занимательными, необходимо вспомнить о том, что одним из требований Нобеля к лауреатам была важность открытий для науки и человечества. Отчасти на вопрос "а зачем это нужно?" ответил Бернард Феринга, когда ему сообщили о награде. По словам химика, имея подобные управляемые молекулярные машины, становится возможным создание медицинских нанороботов. "Представьте себе крошечных роботов, которых доктора будущего смогут ввести в ваши вены и направить на поиск раковых клеток". Учёный отметил, что чувствует себя так же, как, вероятно, чувствовали себя братья Райт после первого полёта, когда люди спрашивали их о том, зачем могут быть вообще нужны летающие машины.
Нобелевская премия по химии за 2016 год присуждена трем исследователям: Жан-Пьеру Соважу из Университета Страсбурга, Стоддарту из Северо-Западного университета (США) и Бернарду Феринге из Университета Гронингена (Нидерланды) — за изобретение молекулярных машин.
«Миниатюрные лифты, мышцы и двигатели.
Эти ученые создали молекулы с контролируемыми движениями, способные выполнять работу при подводе к ним энергии», — говорится в заявлении .
Члены Нобелевского комитета во время презентации лауреатов сравнили изобретение молекулярных машин с развитием машин в начале XIX века, в том числе более поздним развитием электрических моторов, ставших одним из ключевых этапов промышленной революции. Спустя несколько минут Нобелевскому комитету удалось дозвониться до одного из лауреатов — Бернарда Феринге.
«Я не знал, что сказать, это был большой сюрприз», — ответил Феринга на вопрос шведского журналиста, каковы были первые слова ученого, когда он узнал о присуждении ему премии. Химик обещал, что обязательно отпразднует премию со своей командой и студентами.
«Это был большой шок, я едва ли верил, что она работает», — сказал он на вопрос того же журналиста о реакции на первую заработавшую молекулярную машину. Химик пояснил, что развитие молекулярных машин поможет в будущем врачам использовать микророботов для доставки лекарств в нужное место организма, а также для поиска раковых клеток и других задач. Также он рассказал, как пришел к идее создания молекулярных машин.
Модель молекулярной машины Феринги
nobelprize.org«Я начал с изобретения переключателей — мы хотели создать молекулярные переключатели, которые возможно переводить из состояния ноль в состояние один при помощи света.
Это стало началом для создания наших моторов размером в нанометры, а когда вам удается создать их, вы можете уже думать о дальнейших механизмах для транспорта и движения», — добавил Феринга.
Первый шаг к созданию молекулярных машин сделал еще в 1983 году Жан-Пьер Соваж, когда объединил две кольцевые молекулы вместе, образовав цепочку, названную катенаном.
В норме молекулы соединены сильными ковалентными связями, в которых атомы обмениваются электронами, но, когда они механически объединены в цепь, связь становится свободнее.
Следующий толчок в развитии дала разработка Фрейзером Стоддартом ротаксанов — соединений, состоящих из молекулярной оси и «надетой» на нее кольцевой молекулы. Ученый показал, что эта молекула могла ездить вдоль оси. На основе ротаксанов Стоддарт создал молекулярный лифт, молекулярные мускулы и молекулярный компьютерный чип.
Бернард Феринга был первым, кто разработал молекулярный мотор. В 1999 году он заставил молекулярную роторную лопатку постоянно вращаться в одном направлении. Используя молекулярные моторы, он смог поворачивать стеклянные цилиндры, которые были в 10 тыс. раз больше самого мотора, а в дальнейшем спроектировал «наноавтомобиль».
Сейчас молекулярные моторы находятся примерно на той же стадии развития, на какой электрические были в 1830-е годы, когда ученые конструировали вращающиеся с помощью рычагов колеса и не подозревали о том, что это приведет к появлению электропоездов, стиральных машин, фенов и кухонных комбайнов.
Молекулярный мотор
nobelprize.orgМолекулярные моторы, скорее всего, будут использоваться для создания новых материалов, сенсоров и энергосберегающих систем.
Ранее наиболее претендентами на премию по химии по версии компании Thomson Reuters были названы и Фэн Джан, сумевшие отредактировать геномы мыши и человека с помощью системы CRISPR-Cas9. Эта система, изначально отвечающая за выработку приобретенного иммунитета у бактерий, оказалась пригодна для задач генной инженерии.
Кроме них на награду мог рассчитывать Деннис Ло, который разработал способ обнаружения внеклеточной ДНК плода в плазме крови матери, что поможет диагностировать некоторые генетические заболевания, и Хироши Маэда с Ясухиро Мацумурой, открывшие эффект повышенной проницаемости и удержания для макромолекулярных лекарств.
Награда трем ученым досталась за революционные открытия
В среду, 5 октября в Стокгольме представителями Королевской шведской академии наук было оглашено решение о присуждении Нобелевской премии по химии за 2016 год. Лауреатами стали трое ученых из разных стран: француз Жан-Пьер Соваж (Jean-Pierre Sauvage) из Страсбургского университета, уроженец Шотландии сэр Дж. Фрейзер Стоддарт (Sir J. Fraser Stoddart) из Северо-Западного университета (штат Иллинойс, США) и Бернард Л. Феринга (Bernard L. Feringa) из Гронингенского университета (Нидерданды).
Формулировка о награждении звучит так: «за проектирование и синтез молекулярных машин». Лауреаты этого года способствовали миниатюризации технологии, которая может иметь революционное значение. Соваж, Стоддарт и Феринга не только миниатюризировали машины, но и придали химии новое измерение.
Как говорится в пресс-релизе Королевской Шведской академии наук, первый шаг к молекулярной машине профессор Жан-Пьер Соваж сделал в 1983 году, когда он успешно соединил две кольцеобразные молекулы вместе, сформировав цепь, известную как катенан. Обычно молекулы соединяются сильными ковалентными связями, в которых атомы делятся электронами, но в этой цепи они соединены более свободной механической связью. Чтобы машина могла выполнять задачу, надо чтобы она состояла из частей, которые могут двигаться относительно друг друга. Два соединенных кольца полностью отвечают этому требованию.
Второй шаг был предпринят Фрейзером Стоддартом в 1991 году, когда он разработал ротаксан (вид молекулярной структуры). Он продел молекулярное кольцо в тонкую молекулярную ось и показал, что это кольцо может двигаться вдоль оси. На ротаксанах основаны такие разработки как молекулярный лифт, молекулярный мускул и основанный на молекуле компьютерный чип.
А Бернард Феринга был первым человеком, разработавшим молекулярный мотор. В 1999 году он получил молекулярную лопасть ротора, постоянно вращающуюся в одном направлении. Используя молекулярные моторы, он вращал стеклянный цилиндр, который был в 10 тысяч раз больше, чем мотор, также ученый разработал нанокар.
Интересно, что лауреаты-2016 не особо «светились» в различных списках фаворитов, которые каждый год появляются в преддверии «нобелевской недели».
Среди тех, кому в этом году масс-медиа прочили премию по химии, например, Джордж М. Черч и Фэн Чжан (оба работают в США) – за применение редактирования геномов CRISPR-cas9 в клетках человека и мышей.
Также в списках фаворитов фигурировал ученый из Гонконга Дэннис Ло (Дэннис Ло Юкмин) – за обнаружение бесклеточной внутриутробной ДНК в материкнской плазме, которое произвело революцию в неинвазивном пренатальном тестировании.
Назывались и имена японских ученых – Хироси Маеда и Ясухиро Мацамура (за открытие эффекта увеличенной проницаемости и задержания макромолекулярных лекарств, что является ключевой находкой для лечения раковых заболеваний).
В некоторых источниках можно было встретить имя химика Александра Спокойного, родившегося в Москве, но после переезда его семьи в Америку живущего и работающего в США. Его называют «восходящей звездой химии». К слову, единственным советским лауреатом Нобелевской премии по химии стал академик Николай Семенов в 1956 году – за разработку теории цепных реакций. Больше всего среди награжденных этой премией – ученые из США. На втором месте – немецкие ученые, на третьем – британские.
Премия по химии вполне может быть названа «самой Нобелевской из Нобелевских». Ведь человек, основавший эту награду, Альфред Нобель был именно химиком, а в Периодической системе химических элементов рядом с менделевием находится нобелий.
Решение о присуждении этой награды принимает Королевская Шведская академия наук. С 1901-го (тогда первым награжденным в области химии стал голландец Якоб Хендрик Вант-Гофф) по 2015 год Нобелевская премия по химии присуждалась 107 раз. В отличие от аналогичных наград в области физики или медицины ее чаще присваивали одному лауреату (в 63 случаях), а не нескольким сразу. При этом лишь четыре женщины становились лауреатами по химии – среди них Мари Кюри, имевшая также Нобелевскую премию по физике, и ее дочь Ирен Жолио-Кюри. Единственным человеком, получившим химического «Нобеля» дважды, стал Фредерик Сангер (1958 и 1980 гг.).
Самым же молодым награжденным оказался 35-летний Фредерик Жолио, получивший премию в 1935 году. А самым пожилым стал Джон Б. Фенн, которого Нобелевская награда «нагнала» в возрасте 85 лет.
В прошлом году нобелевскими лауреатами по химии стали Томас Линдал (Великобритания) и два ученых из США – Пол Модрич и Азиз Санчар (выходец из Турции). Награда была присуждена им за «механические исследования восстановления ДНК».
Лауреатами Нобелевской премии по химии 2016 года стали Жан-Пьер Соваж из Страсбургского университета (Франция), Фрейзер Стоддарт из Северо-Западного университета (США) и Бернард Феринга из Гронингенского университета (Голландия). Престижный приз был выдан «за дизайн и синтез молекулярных машин» - отдельных молекул или молекулярных комплексов, которые могут совершать определенные движения при подаче энергии извне. Дальнейшее развитие этой области сулит прорывы во многих областях науки и медицины.
Нобелевский комитет регулярно отмечает работы, в которых, помимо научной ценности, есть еще некоторая дополнительная изюминка. Так, например, в открытии графена Геймом и Новосёловым (см. Нобелевская премия по физике - 2010 , «Элементы», 11.10.2010), помимо самого открытия и его использования для наблюдения квантового эффекта Холла при комнатной температуре, были замечательные технические подробности: отслаивание слоев графита простым скотчем. У Шехтмана , открывшего квазикристаллы , была история научного противостояния с другим уважаемым нобелиатом - Полингом , заявлявшим, что «нет никаких квазикристаллов, а есть квазиученые».
В области молекулярных машин , на первый взгляд, никакой подобной изюминки нет, если исключить тот факт, что один из лауреатов, Стоддарт, имеет рыцарское звание (он такой не первый). Но на самом деле важная особенность всё же есть. Синтез молекулярных машин - это чуть ли не единственная область в академической органической химии, которую можно назвать чистой инженерией на молекулярном уровне, где люди делают дизайн молекулы с нуля и не успокаиваются, пока ее не получат. В природе подобные молекулы, конечно, есть (так устроены некоторые белки органических клеток - миозин , кинезины - или, например, рибосомы), но до такого уровня сложности людям еще далеко. Поэтому пока молекулярные машины - плод человеческого разума от начала и до конца, без попыток подражать природе или объяснять наблюдаемые природные явления.
Итак, речь идет о молекулах, в которых одна часть способна двигаться относительно другой контролируемым образом - как правило, используя отчасти внешние воздействия и тепло для перемещения. Для создания таких молекул Соваж, Стоддард и Феринга придумали разные принципы.
Соваж и Стоддард делали механически сцепленные молекулы: катенаны - два и более сцепленных молекулярных кольца, вращающихся друг относительно друга (рис. 1), и ротаксаны - составные молекулы из двух частей, в которых одна часть (кольцо) может двигаться вдоль другой (прямая основа), имеющей объемные группы (стопперы) по краям, чтобы кольцо «не слетало» (рис. 2).
С использованием вышеизложенной концепции были созданы «молекулярный лифт», «молекулярные мышцы», различные молекулярные топологические структуры, представляющие теоретический интерес, и даже искусственная рибосома, способная очень медленно синтезировать короткие белки.
Подход Феринги был принципиально другой и очень элегантный (рис. 3). В молекулярном моторе Феринги крутящиеся друг относительно друга части молекулы сцеплены не механически, а самой настоящей ковалентной связью - двойной связью углерод-углерод. Вращение групп вокруг двойной связи без внешнего воздействия невозможно. Таким воздействием может быть облучение ультрафиолетом: образно выражаясь, ультрафиолет селективно рвет одну связь в двойной, разрешая вращение на долю секунды. При этом во всех положениях молекула Феринги структурно напряжена и двойная связь удлинена. Молекула при повороте следует наименьшему сопротивлению, пытаясь найти положение с наименьшим напряжением. Это ей сделать не удается, но зато на каждом этапе она поворачивается почти исключительно в одну сторону.
Подобный мотор с небольшими модификациями, как показали в 2014 году, способен делать примерно 12 миллионов оборотов в секунду (J. Vachon et al., 2014. An ultrafast surface-bound photo-active molecular motor). Наиболее красивое использование мотора Феринги было продемонстрировано в «наномашине» на золотой подложке (рис. 4). Четыре мотора, привязанные на манер колес к длинной молекуле, вращаются в одну сторону, и «машина» едет вперед.
В данный момент идет разработка молекулярного мотора, который можно активировать видимым светом вместо УФ. С помощью такого мотора будет возможно преобразовывать солнечную энергию в механическую совершенно беспрецедентным способом - минуя электричество.
В самой свежей своей работе , опубликованной в журнале Американского химического общества (JACS ), Феринга показал дизайн мотора, скорость вращения которого можно контролировать химическим воздействием, как показано на рис. 5. При добавлении молекулы-эффектора (дихлорида металла - цинка Zn, палладия Pd или платины Pt) к молекулярному мотору, последний меняет конформацию, что облегчает вращение. Измерения показали, что при 20°C из трех проверенных эффекторов мотор быстрее всего вращается с платиной (с частотой 0,13 Hz), чуть медленнее - с палладием (0,035 Hz) и еще медленнее - с цинком (0,009 Hz). Максимальная скорость мотора без эффектора - 0,0041 Hz. Наблюдаемое явление было подтверждено квантово-механическими расчетами структур мотора с эффекторами и без. Из расчетов видно, как меняется конформация и насколько облегчается вращение.
В заключение стоит сказать, что молекулярные моторы пока не нашли применения в повседневной жизни, но почти наверняка это дело времени и уже в ближайшем будущем мы увидим их активное использование.
Источники:
1) The Nobel Prize in Chemistry 2016 - официальное сообщение Нобелевского комитета.
2) Molecular Machines - подробный обзор работ лауреатов, подготовленный Нобелевским комитетом.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa, and Sander J. Wezenberg. Allosteric Regulation of the Rotational Speed in a Light-Driven Molecular Motor // Journal of the American Chemical Society
. September 26, 2016. V. 138 (41). P. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.
Григорий Молев
