Молекулярные машины нобелевская премия

Все живое можно представить как мир молекулярных машин. Казалось бы, в микромире очень много случайного, стохастического движения. И тем не менее молекулы движутся, зацепляются друг за друга подобиями шестерней, сообщают друг другу движение, причем выполняют все эти действия с большой точностью.

Соваж и молекулярные замки

Еще в начале восьмидесятых французский химик Жан-Пьер Соваж решил выяснить, как работают молекулы с точки зрения механики, какие механизмы приводят их в движение. В 1985 году он описал устройство и механику молекулярных узлов, состоящих из макрогетероциклических молекул.

Предметом его изучения стали «молекулы-замки» — катенаны. Они состоят из двух и более кольцевых молекул. В экспериментах Соваж использовал криптанды — сложные циклические молекулы, содержащие в цикле атомы, отличные от атомов углерода. Находясь рядом с криптандами, разветвленные молекулы катенанов выстраивались так, чтобы замкнуть кольцо вокруг фрагмента криптанда. В результате получались конструкции, напоминающие два звена цепи. Эти конструкции положили начала координационной химии; будущее было за созданием таких молекул, которые не только организовывались в предсказуемые пространственные структуры, но и двигались в их пределах.

Стоддарт и молекулярные челноки

Фрейзеру Стоддарту из Северо-западного Университета в Ивастоне (США), пошедшему по стопам Саважа, удалось собрать из молекул относительно простое устройство, на основе которого работают многие современные молекулярные механизмы. Устройство предстваляло собой соединение из класса ротаксатанов.

Молекула ротаксана выглядит как муфта, которая движется вдоль оси, концы которой увенчаны крупными навершиями. Эти навершия не дают муфте соскочить. На противоположных концах оси находятся группы атомов, которые способны связываться с «муфтой». Стоддарт установил, что «муфта» может перемещаться от одной такой группы к другой. Эта молекула и стала первым молекулярным челноком. В 1994 году Стоддарт изменил устройство своего шаттла: теперь на концах «оси» находились не одинаковые, а разные группы атомов. Изменяя кислотность раствора, в котором плавали молекулярные перевозчики, можно было управлять активностью каждой из них и целенаправленно заставлять муфту двигаться.

Машины Стоддарта строились на двух принципах, которые унаследовали все следующие поколения молекулярных машин. Первый из них гласит, что связь между подвижными частями машины или подвижной и не подвижной не должна иметь ковалентную природу. Ковалентные связи слишком сильные для того, чтобы их можно было легко разрывать и снова создавать. Вместо этого для движущихся частей машин используется электростатическое притяжение между частями молекул, имеющих полярные электрические моменты.

Второй принцип заключается в том, что «шаттлам» не должен быть нужен внешний источник энергии. Они получают энергию от броуновских столкновений с другими молекулами в растворе.

Свой механизм Стоддарт использовал для создания устройства хранения информации на основе сотен челноков. Пойманные в ловушку между кремниевым слоем и титановыми электродами, ротаксаны с помощью электричества перемещают «муфту» вперед и назад — получаются своеобразные молекулярные «счеты» 13 мкм длиной, способны хранить 160000 бит информации и настолько малы, что 100 гигабит с их помощью может поместиться на 1 квадратном сантиметре. Это сравнимо с технологиями записи данных, которые используются в современных жестких дисках.

Ферринга и молекулярные двигатели

В 1999 году наука о молекулярных машинах сделала еще один гигантский скачок вперед. На основе челноков Стоддарта голландский ученый Бен Феринга создал первый в истории молекулярный мотор. Он представлял собой одну крупную молекулу, содержаю два одинаковых блока, соединенных двойной углерод-углеродной связью. Пока связь была цела, система находилась в равновесии, но ее легко можно было привести в движение лучом света, который способен частично разрушить двойную связь C-C. Когда связь нарушается, блоки начинают вращаться друг относительно друга. Особенно важно было то, что геометрия блоков позволяла им вращаться только в одном направлении. Пока работал источник энергии — света или тепла — мотор продолжал крутиться.

Источник

Нобелевка по химии присуждена создателям молекулярных машин

Нобелевская премия по химии в 2016 году присуждена за работы по синтезу «молекулярных машин». Награды Королевской шведской академии наук в Стокгольме присуждены Жан-Пьеру Саважу, Фрезеру Стоддарту и Бернарду Феринге. Церемония их награждения состоится 10 декабря – в день кончины основателя Нобелевской премии, шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля.

Каждая из Нобелевских премий в 2016 году составляет 8 миллионов шведских крон — 932 тысячи долларов, сообщает сайт Нобелевского комитета.

В память о Нобеле шведским Госбанком в 1968 году было учреждено четыре премии в области физиологии или медицины, физики, химии и литературы, а также в области экономики. Они вручаются в Стокгольме. Пятая премия – премия мира – вручается в Осло также 10 декабря.

Награда по химии получена в 2016 году тремя учеными за крошечный лифт, искусственные мышцы и микроскопические моторы. Они разработали молекулы с управляемыми движениями, которые могут выполнить определенную задачу при добавлении энергии.

Это переводит химию в новое измерение. При этом потенциально позволяет производить машины и механизмы миниатюрных наноразмеров.

Первым шагом к созданию молекулярной машины был сделан в 1983 году. Тогда Жан-Пьеру Саважу удавалось связывать две кольцеобразных молекулы в цепь, называемую катенана. Как правило, молекулы соединены сильными ковалентными связями, в которых атомы разделяют электроны, но в цепочке они вместо этого были связаны с более свободной механической связью.

Это как раз и позволило машине выполнять задачу: она должна состоять из частей, которые могут перемещаться относительно друг друга. Два сблокированные кольца выполнилли именно это требование.

Второй шаг сделан Фрейзер Стоддарт в 1991 году. Он разработал ротаксан — накрученное на тонкую молекулярную ось молекулярное кольцо. Это кольцо было в состоянии двигаться вдоль оси. На основе ротаксанов реализованы молекулярный подъем, молекулярный мышцы и молекулы на основе компьютерных чипов.

В 1999 году Бернард Феринга стал первым человеком, который смог продвинуться к созданию молекулярного двигателя. Он создал молекулярные лопасти несущего винта, которые постоянно вращаются на оси. Он разработал наномашину, вращавшую стеклянный цилиндр, который в 10 тысяч раз больше самого двигателя.

С точки зрения развития молекулярный двигатель сейчас находится на той же стадии, как электродвигатель был в 1830-х годах, когда ученые показали различные вращающиеся рукоятки и колеса, не зная, что они приведут к появлению электропоездов, стиральных машин, вентиляторов, насосов и кухонных комбайнов.

Работа новых нобелевских лауреатов по химии вывели молекулярные систем из тупиковой ситуации равновесного и в энергетических заполненных состояний, позволив контролировать их движения.

Молекулярные машины могут быть использованы при разработке новых материалов, датчиков и систем хранения энергии.

Сайт Вести.Ru транслировал церемонию объявления лауреатов Нобелевской премии в прямом эфире.

Источник

Машина из пробирки

За что дали Нобелевскую премию по химии

Сегодня в Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по химии 2016 года. Ими стали Жан-Пьер Соваж, Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга — люди, которых можно назвать пионерами одной из самых интересных областей химии: молекулярных машин и топологических молекул. Мы разобрались в том, как можно завязать молекулу в узел, сделать из нее поршень или построить на ее основе линию по сборке других молекул.

Концепция молекулярного автомобиля, использующего четыре ротора для движения

Francis Villatoro / Youtube

Начнем, пожалуй, с краткой биографии лауреатов — например, интересно отметить, что один из них ни много ни мало рыцарь-бакалавр.

Первый из лауреатов, Жан-Пьер Соваж — 71-летний французский химик, получивший докторскую степень в Университете Страсбурга в 1971 году. Его исследования относились к области координационной химии — так, в рамках работы над диссертацией ученый участвовал в первом синтезе криптандов. Это необычные молекулы, содержащие внутри себя полости, которые хорошо подходят для того, чтобы в них можно было поместить ион металла или другую молекулу. Сейчас Жан-Пьер — сотрудник Института супрамолекулярной инженерии при Национальном центре научных исследований Франции, а также является почетным профессором Университета Страсбурга.

Сэр Джеймс Фрейзер Стоддарт родился в 1942 году в Эдинбурге. Докторскую степень химик получил в 1966 году, в Университете Эдинбурга, а в 1996 году королева Елизавета II посвятила ученого в рыцари-бакалавры. Кстати, Стоддарт — пятый обладатель Нобелевской премии по химии, получивший рыцарское звание до присуждения ему награды шведской Королевской академии наук. Компанию ему составили Гарольд Крото, Норман Хиншельвуд, Роберт Робинсон и Уильям Рамзай. Сейчас Стоддарт руководит группой механостереохимии в Северо-западном университете (США).

Бернард Лукас Феринга — голландец, самый молодой из лауреатов этого года, ему «всего» 65 лет. Докторскую степень химик получил в 1978 году за работы по асимметрическому окислению фенолов. Последнее приводило к «склеиванию» двух молекул — такой результат отдаленно напоминает первые молекулярные роторы, которые и принесли ученому Нобелевскую премию.

Официальная формулировка премии звучит так: «За проектирование и синтез молекулярных машин». Вместе с тем, работы ученых берут свое начало немного в другой области, имеющей дело с топологически связанными молекулами.

Традиционная химическая связь выглядит как пружинка, связывающая два атома в молекуле. Такая связь позволяет молекуле быть отчасти гибкой и даже допускает вращение некоторых ее фрагментов. К примеру, если взять молекулу воды H₂O, то окажется, что связи в ней колеблются. Вместе с тем, химические связи мешают частям молекулы свободно перемещаться друг относительно друга.

Многие крупные молекулы можно представить себе в виде цепочек, состоящих из атомов — с различными ответвлениями и зацикливаниями. Представим себе две таких цепочки, лежащие рядом, но не связанные между собой. Теперь завернем обе цепочки в кольца — при этом проденем одну из цепочек через другую. В результате мы получили неразделимую пару цепочек. Они связаны между собой не химической связью, а геометрически — не разорвав одно из колец, их не удастся расцепить. Такую связь химики назвали механической, или топологической.

Представить себе такие молекулы довольно легко, но их синтез оказался непростой задачей. Одним из подходов к их получению был «статистический» синтез. Представьте себе, что на концах каждой из цепочек находятся магниты. Возьмем очень много таких цепочек, положим в коробку и потрясем. Если после этого аккуратно разобрать получившийся комок, не размыкая магнитов, то можно будет найти несколько «правильно» соединившихся цепочек. Очевидно, что выход таких синтезов очень мал — надежно подтвердить образование катенанов, или сомкнутых пар колец, было невозможно.

В 1960-х годах немецкий химик Готтфрид Шилл нашел способ увеличить вероятность «правильного» смыкания цепочек. Для этого химик заранее замыкал одну из цепочек в кольцо и «приклеивал» к нему середину другой цепочки (тоже с группами-магнитами). После того как магниты сцеплялись, группа Шилла убирала «клей», позволяя цепочкам свободно двигаться относительно друг друга. Так впервые были получены катенаны, состоявшие из пары и тройки сомкнутых колец.

Johan Jarnestad / The Royal Swedish Academy of Sciences

Источник

Нобелевскую премию по химии присудили за молекулярные машины

Изображения новых нобелевских лауреатов по химии (слева направо): Жан-Пьер Соваж, сэр Фрейзер Стоддарт, Бернард Феринга

Сегодня в Стокгольме объявили лауреатов Нобелевской премии по химии 2016 года. 108-я премия будет вручена Жан-Пьеру Соважу (Jean-Pierre Sauvage), сэру Фрейзеру Стоддарту (Sir J. Fraser Stoddart) и Бернарду Феринга (Bernard L. Feringa) с формулировкой «за проектирование и синтез молекулярных машин». Подробнее о работах лауреатов можно прочитать в пресс-релизе комитета.

Жан-Пьер Соваж разработал удобный метод для синтеза особого класса соединений — катенанов. Молекулы этих веществ состоят из двух колец, сцепленных друг с другом. Такие связи называются топологическими, или механическими. Работы Фрейзера Стоддарт расширяют список соединений с подобными «нехимическими» связями — его группа занималась синтезом и исследованием ротаксанов. Их молекулы состоят из длинной цепочки, на которую свободно надето кольцо. Благодаря двум крупным конструкциям на концах цепочки кольцо не может «свалиться» с нее. Стоддарту удалось показать, что кольцо может свободно перемещаться вдоль цепочки.

Примеры катенанов (сверху) и ротаксанов (снизу)

Бернард Феринга стал первым химиком, разработавшим и синтезировавшим молекулярный мотор — молекулу, которая под действием света претерпевала структурные изменения и начинала вращаться подобно лопасти ветряка в строго заданном направлении. В 1999 году с помощью молекулярных моторов ученому удалось заставить вращаться стеклянный цилиндр, который превосходил их по размерам в 10 тысяч раз.

Пример молекулярного мотора, заставляющего вращаться золотую наночастицу

Катенаны и ротаксаны также часто являются важными фрагментами современных молекулярных машин. Размещая на цепочках специальные фрагменты, способные менять свой заряд или другие свойства в результате внешних воздействий, ученые могут управлять вращением этих молекул. Так, например, были созданы «молекулярные насосы», способные переносить кольца вдоль цепей ротаксанов строго в определенном направлении. Также недавно мы сообщали о таком классе молекулярных машин, как «турникеты».

Нобелевская премия по химии 2015 года была вручена Томасу Линдалю, Полу Модричу и Азиз Санджар с формулировкой «за исследование механизмов репарации ДНК». Ученые раскрыли три важнейших механизма, позволяющих исправлять ошибки, которые возникают в ДНК под действием излучения или в ходе копирования. Это эксцизионная репарация (удаление поврежденных участков и замена их нормальными), вырезание одиночных нуклеотидов, поврежденных ультрафиолетом, и репарация ошибочно спаренных оснований. Если бы этих механизмов не существовало, ДНК не смогла бы исполнять свои основные функции носителя информации — нарушения в структуре молекулы происходят регулярно. Подробнее об этом можно прочесть в нашем материале.

Ранее на этой неделе стал известен лауреат Нобелевской премии по физиологии и медицине — им стал Ёсинори Осуми. Комитет отметил работы японского биолога, касающиеся исследования механизмов аутофагии. Это один из клеточных механизмов, которые позволяют организму избавляться от деградировавших или уже ненужных белков. Подробнее об этом можно прочитать в нашем материале «Нобель за самоедство».

Вчера, 4 октября, в Шведской королевской академии наук назвали имена лауреатов Нобелевской премии по физике: Дэвид Таулесс (David Thouless), Дункан Халдейн (Duncan Haldane) и Майкл Костерлиц (Michael Kosterlitz). Ученые получили премию за прорывные работы в области «топологических фазовых переходов и топологических фаз материи». Интересно, что премию мог получить и советский физик Вадим Березинский, но, к сожалению, он не дожил до вручения. Подробно о работах физиков можно прочитать в материале «Топологически защищен».

Премии будут вручены в Стокгольме в период 5–10 декабря 2016 года. Размер Нобелевской премии по химии 2016 года составил восемь миллионов шведских крон (около 60 миллионов рублей).

Источник

Молекулярные машины

Нобелевская премия 2016 года в области химии присуждена Жан-­Пьеру Саважу, Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Феринге «за проектирование и синтез молекулярных машин». Разработанные ими устройства, размеры которых в тысячи раз меньше толщины человеческого волоса, действительно состоят из отдельных деталей, каждой из которых является молекула. Молекулярный мотор, молекулярный лифт и даже способная перемещаться машина­-молекула с четырьмя колесами — звучит как фантастика, но все это реальные достижения, удостоенные высочайшей научной награды. Конечно же об этих крошечных механизмах стоит рассказать подробнее.

Интересно, что эру молекулярных машин предсказал тот же человек, который за четверть века до этого в своей ставшей классикой лекции «Там, внизу, полно места!» предрек расцвет нанотехнологий, — лауреат Нобелевской премии по физике 1965 года Ричард Филлипс Фейнман. В публичной лекции 1984 года Фейнман сказал, что рано или поздно появятся миниатюрные машины с подвижными элементами размерами в одну или несколько молекул, подобные жгутикам бактерий, но созданные в лаборатории гигантскими руками человека. Фейнман считал, что способные к совершению механической работы синтетические молекулярные системы появятся в 2010—2020 годах.

Цепи и узлы
Фейнман мог и не знать, что первые шаги к созданию молекулярных машин были сделаны еще за год до его предсказания. В 1983 году Жан­-Пьер Саваж, работавший тогда в Университете Луи Пастера над диссертацией под руководством Жан­Мари Лена, разработал практически выполнимый метод синтеза первого класса молекул без химических связей — катенанов. Жан­Мари Лен, наставник Саважа и один из отцов-­основателей супрамолекулярной химии, получит Нобелевскую премию по химии в 1987 году «за разработку и применение молекул со структурно­специфическими взаимодействиями с высокой селективностью».
Катенаны — это системы из двух и более макроциклических соединений, сцепленных как звенья цепи, однако не образующих при этом химической связи друг с другом (само название «катенан» происходит от латинского слова catena — цепь). Конечно, Саваж не первым получил катенаны — цепочку, состоящую из двух переплетенных макроциклов, впервые синтезировали еще в 1964 году. Однако до работ Саважа получение молекулярных цепей было скорее любопытным курьезом органического синтеза — замыкание макроциклов и образование катенанов происходило случайным образом, и их выходы не превышали 2—3%. Саваж впервые предложил методологию направленного синтеза катенанов, даже в первых экспериментах увеличив их выход до 42%.
Как это часто бывает в химии (и в других науках тоже), метод направленного синтеза появился благодаря счастливой случайности. Работа Саважа была связана с фотохимией и разработкой молекулярных комплексов, способных поглощать энергию солнечного света и использовать ее для инициирования химических реакций. Построив модель одного из таких комплексов, отличающихся фотохимической активностью, Саваж неожиданно понял, что этот комплекс похож на катенан — две молекулы, закрученные вокруг находящегося в центре иона меди.
Это существенно изменило направление его исследований. Используя фотохимически активный комплекс с медью в качестве модели, Саваж и его коллеги синтезировали циклическую молекулу и молекулу в форме серпа, после чего обе молекулы присоединили к иону меди за счет координационной связи (рис. 1). Ион меди был не только «якорем», он выступал и в роли шаблона, предопределяющего форму. На следующем этапе синтеза серповидная молекула взаимодействовала с третьим строительным блоком, образуя второй макроцикл, который замыкался вокруг первого, и получались два первых звена молекулярной цепи, механически связанных друг с другом. На заключительном этапе удаляли выполнивший свою работу ион меди.

Данный метод сделал возможным направленные исследования в области топологической химии — ионы металлов использовали в качестве строительных лесов для синтеза структур все более и более сложных, от длинных молекулярных цепей до молекулярных узлов причудливой формы.
Вскоре Саваж и другой лауреат Нобелевской премии по химии 2016 года Фрейзер Стоддарт (в настоящее время профессор Северо-­Западного университета США) стали признанными экспертами в области топологической химии. Они получили молекулярные версии многих известных в макромире узлов: трилистный узел (символ, встречающийся в кельтских орнаментах, скандинавских ритуальных изображениях, в христианстве он символизирует Святую Троицу — рис. 2а), кольца Борромео (изображение с герба итальянской семьи Борромео, которое можно встретить и на скандинавских ювелирных изделиях, и на христианских фресках, — рис. 2б), узел Соломона (рис. 2в). К лондонской Олимпиаде 2012 года Стоддарт синтезировал пятизвенный катенан, который в честь пяти олимпийских колец назвал олимпиаданом (рис. 2г).

Рис. 2. Системы механически связанных макроциклических молекул (пояснения в тексте)

Конечно, все это вязание молекулярных узлов было привлекательным с точки зрения химической эстетики. Однако вовсе не усложнение структур катенанов принесло их создателям Нобелевскую премию.

Вал на оси
Второй лауреат, Фрейзер Стоддарт, вписал себя в историю химии XXI века не только и не столько умением завязывать молекулярные узлы: как и его коллега Саваж, он оптимизировал методы синтеза и первым смог получать препаративные выходы другого типа молекул без химической связи — ротаксанов.
Ротаксаны — класс соединений, состоящих из молекулы гантелевидной формы и надетого на эту «гантель» макроцикла. Стоддарт тоже не был первооткрывателем ротаксанов — впервые их получили Иан Гаррисон и Шуэн Гаррисон еще в 1967 году. Но как и в случае их близких родственников катенанов, до работ Стоддарта ротаксаны синтезировали, уповая на удачу, которая не позволяла получать эти молекулы с выходом более пары процентов.
В 1991 году исследователи из группы Стоддарта впервые осуществили направленный синтез ротаксана (рис. 3). Строительными блоками для синтеза стали молекула с положительно заряженными фрагментами, которой предстояло замкнуться в цикл, и ось ротаксана — длинный стержень, уже имеющий на концах фрагменты, которые должны препятствовать «соскальзыванию» макроцикла. Ось ротаксана, в свою очередь, была модифицирована фрагментами, несущими отрицательный заряд, — это позволяло оси ротаксана и заготовке для макроцикла, встретившись в реакционной смеси, образовать ионный мостик между разноименно заряженными фрагментами, что облегчало вдевание оси ротаксана в заготовку макроцикла. На следующем этапе синтеза исследователи замыкали макроцикл и получали ротаксан, опять же с выходом в десятки процентов.

Рис. 3. Синтез ротаксана

В первом ротаксане Стоддарта макроцикл мог свободно перемещаться вдоль оси. Однако, разработав принцип синтеза, он смог получить системы, в которых движение макроцикла удавалось регулировать за счет внешних воздействий (изменение кислотности среды, в которой растворен ротаксан, присутствие в ней определенных типов химических веществ или просто изменения температуры). Первая молекулярная машина на основе ротаксана, в которой макроцикл занимал строго определенные положения, реагируя на изменения окружающей среды, появилась в 1994 году. С этого момента в стенах лаборатории было синтезировано немало молекулярных машин, среди которых молекулярный лифт, способный подниматься на высоту 0,7 нм (рис. 4, «Science» 2004, 303, 5665, 1845—1849), и искусственные мышцы из ротаксанов, сил которых хватало на сгибание тонкой фольги из золота. Сила, которую создает макроцикл одного ротаксана при перемещении, — около 30 пиконьютонов, в то время как сила сокращения одной молекулы мышечного белка миозина колеблется от 5 до 60 пиконьютонов, так что синтетические молекулярные машины вполне конкурентоспособны по сравнению со своими аналогами, созданными эволюцией живых существ.

Рис. 4. Ротаксановый лифт°

В сотрудничестве с другими исследователями Стоддарт разработал состоящую из ротаксанов схему памяти емкостью 20 килобайт. Конечно, объемы молекулярных чипов для памяти еще не могут конкурировать с объемами существующих компьютерных чипов, к тому же их устойчивость (а следовательно, и сохранность записанной на них информации) оставляет желать много лучшего, но апологеты молекулярной электроники напоминают, что были в истории науки и техники времена, когда полупроводниковые схемы не могли составлять конкуренцию теплой ламповой технике.

Мотор
Молекулярные машины, созданные Стоддартом и Саважем (в соавторстве и по отдельности), хорошо справлялись с одним типом движения составляющих их элементов — поступательным. Чтобы добавить разнообразия в мир молекулярных машин, исследователям хотелось получить молекулярные моторы, элементы которых могли бы непрерывно вращаться в одном направлении. В 1990-­е годы многие ученые, воодушевленные успехами Саважа и Стоддарта, пытались создать молекулярную машину с вращающимися деталями из отдельных молекул, но большинство потерпело неудачу — молекулы не вращались вообще либо меняли направление вращения случайным образом. Первым, кому удалось решить эту задачу, был голландский химик Бернард Феринга — третий лауреат Нобелевской премии по химии 2016 года.
Молекулярную машину, созданную Ферингой, можно сравнить с двумя уменьшенными копиями лопаток ротора. Эта молекула состоит из двух плоских молекулярных фрагментов, соединенных двойной связью (рис. 5). С каждой из молекулярных лопаток была связана метильная группа, выполняющая ту же задачу, что элементы храпового механизма, — они заставляли детали макромеханизмов вращаться лишь в одном направлении. При облучении системы импульсом ультрафиолета один из роторов проворачивался на 180° вокруг центральной оси — двойной связи, а метильный «храповик» не давал молекуле провернуться обратно. Следующий импульс ультрафиолета обеспечивает следующий поворот на 180°, и так далее.

Рис. 5. Машина Бернарда Феринги: молекулярный ротор вращается под действием УФ-­излучения

Самый первый молекулярный мотор не отличался высокой скоростью, но после череды постоянных оптимизаций и модернизаций Феринге с коллегами удалось добиться от него скорости вращения 12 миллионов оборотов в секунду. В 2011 году его же исследовательская группа соорудила четырехколесный молекулярный автомобиль, в котором на молекулярной раме располагалось четыре молекулы, игравшие роль колес. Когда они начинали вращаться, молекулярный автомобиль поступательно двигался по поверхности (см. рис. на заставке).
В другом изящном эксперименте исследователи из группы Феринги показали, как с помощью молекулярных моторов раскрутить стеклянный цилиндр длиной в 28 микрометров (в 10 000 раз больше молекулярных моторов). Химики внедрили молекулярные моторы в жидкие кристаллы, причем модифицировали только 1% от всех макромолекул в их составе. Тем не менее активация работы молекулярных моторов заставляла двигаться все жидкие кристаллы. Стеклянный цилиндр, помещенный на их поверхность, вращался в том же направлении, что молекулярные моторы.
Работы Жан­-Пьера Саважа, Фрейзера Стоддарта и Бернарда Феринги не только вдохновили химиков всего мира на создание новых молекулярных машин и механизмов, но и снабдили их необходимым для этого инструментом. Одна из самых интересных молекулярных машин (ее разработали уже не нобелевские лауреаты этого года) — робот на основе ротаксанов, способный захватывать и связывать друг с другом аминокислоты, имитируя синтез белка на рибосоме.

В чем заслуга?
Важное достижение Саважа, Стоддарта и Феринги состоит в том, что всем троим удалось получить молекулярные системы, выведенные из состояния равновесия. Химические системы, с которыми приходится иметь дело в лаборатории, стремятся к положению устойчивого химического равновесия, другими словами — к наиболее выгодному с точки зрения потенциальной энергии состоянию. Химические же системы, лежащие в основе процессов, которые протекают в живой ткани, работают именно в неравновесном режиме. Пока организм жив, он извлекает энергию из пищи, и эта энергия заставляет биологические молекулярные машины выходить из устойчивого равновесия, увеличивая свою потенциальную энергию. Для возвращения в равновесное состояние им приходится совершать механическую работу — и так до тех пор, пока происходит обмен веществ, то есть организм сохраняет жизнеспособность.

Как и молекулярные машины живых организмов, системы, созданные Саважем, Стоддартом и Ферингой, могут выполнять множество задач, и это открывает химикам дверь, ведущую в новую страну интересных идей. Как было сказано в официальном объявлении Нобелевского комитета от 5 октября 2016 года, ситуация с готовностью молекулярных машин к практическому применению в настоящее время напоминает ситуацию с созданием первых прототипов электродвигателей в век угля и пара — 20—30­-е годы XIX века. Естествоиспытатели тех времен рассматривали их как бесполезные, хотя и весьма интересные установки, крутящие колеса и поднимающие грузы в лабораториях; никто и не подозревал, что настанет время, когда, говоря словами более поздней песни, «нам электричество пахать и сеять будет». Как считают многие химики, физики и биологи, нынешняя Нобелевская премия по химии — это триумф фундаментальной, академической науки, и ожидание компьютера на молекулярных чипах или механизма, приводимого в движение молекулярными машинами, может надолго затянуться.
Более оптимистично настроенные эксперты говорят, что вручение премии Саважу, Стоддарту и Феринге вполне может ускорить этот процесс. Они приводят в пример ситуацию с Нобелевской премией по физике 2010 года, которая была присуждена за получение двумерной аллотропной модификации углерода — графена, в то время интересного, но непонятно для чего нужного материала. Однако премия Гейма и Новоселова резко увеличила интерес к графену и его аналогам, вовлекла множество людей в работу, что и привело в итоге к созданию в 2013 году европейской десятилетней программы по изучению графена и связанных с ним технологий с ежемесячным бюджетом в 54 миллиона евро. Есть надежда, что Нобелевская премия 2016 года привлечет к делу создания молекулярных машин и новых исследователей, и новые инвестиции. Так это или не так, покажет время.
Вместе с тем не следует забывать, что помимо пользы и эффектов, связанных с практической значимостью молекулярных машин, есть еще и то, что называется «научная значимость», а она заметна уже сегодня. Некоторые закономерности, выявленные при изучении движения и выполнения работы синтетическими молекулярными машинами, позволяют глубже понять принципы молекулярных машин, созданных эволюцией. Появляется возможность посмотреть под новым углом на молекулярную биологию, на неравновесные процессы с участием большого числа атомов и молекул. В любом случае каждая Нобелевская премия по химии — научное событие года, а нынешняя привлекательна еще и тем, что она отметила успехи наиболее важных разделов химии XXI века — химии синтетической и химии супрамолекулярной.

Курамшин А.И.

Белок, который ходит

Нобелевская премия, говорите? За молекулярное устройство, которое перемещается по плоской поверхности? Одноклеточные организмы тихо посмеиваются, крутя жгутиками, покачивая ресничками и ложноножками. Да и каждый из нас, многоклеточных, — такая сложная машина, сделанная из машин, сделанных из еще меньших, но все еще сложных машинок, какая Декарту не могла присниться. Молекулярные моторы (это не метафора, а официальный термин) отвечают за транспорт ионов через мембрану, транспорт пузырьков­-везикул, органелл и хромосом внутри клетки, шевеления тех же ресничек и мышечные сокращения. Одни осуществляют движение по кругу (утверждение, что «природа не изобрела колеса», неверно: вращающихся наноколесиков у природы хватает), другие — линейное, туда и обратно. А третьи практикуют бипедальное движение. Кроме шуток, наши клетки густо населены двуногими шагающими наноботами. Всем известна роль актин­миозинового комплекса в мышечном сокращении. Мышечные клетки заполнены миофибриллами, а те состоят из белковых нитей — филаментов, актиновых и миозиновых; еще иногда вспоминают эластичный белок титин, фиксирующий концы миозиновых филаментов. В клетках скелетной мускулатуры филаменты аккуратно уложены в саркомеры — группы сократительных единиц, имеющих одинаковую длину (почему под микроскопом и видна характерная для скелетных мышц поперечная полосатость).
Миозин похож на две клюшки для гольфа, ручки которых скручены в одну спираль, а головки цепляют актиновые филаменты и сдвигают их относительно миозиновых, тем самым сокращая мышцу. Каждая головка развивает усилия в считаные пиконьютоны, но в миозиновом филаменте сотни молекул миозина, в мышечном волокне много миофибрилл, а в мышце много волокон, так что суммарное усилие может быть значительным. Цикл повторяется, пока в цитоплазме есть ионы кальция и АТФ.

На электронной микрофотографии миофибриллы хорошо видны саркомеры, состоящие из актиновых и миозиновых филаментов. Реакцию, которая обеспечивает сокращение мышцы, можно разделить на четыре этапа. 1. Головка миозина связывает молекулу АТФ, при этом разрывается связь между актином и миозином. Теперь миозин может взаимодействовать с новой актиновой субъединицей — сделать «шаг» вдоль нити. (Это взаимодействие пройдет до конца лишь в том случае, если нервный импульс повысит концентрацию ионов кальция в мышечном волокне.) 2. Миозин гидролизует АТФ до АДФ и фосфата и прочно связывается с актином. 3. Фосфат высвобождается, головка миозина сгибается, актиновые филаменты перемещаются относительно миозиновых. 4. Миозин высвобождает АДФ, но сам останется прочно привязанным к актину до появления новой молекулы АТФ.
Но миозины присутствуют не только в мышечных волокнах: в семействе миозинов 18 классов. Мышечные миозины (класс II) перебирают лапками по актину, как гусеница по травинке. Миозин V и похож на римскую пятерку или букву «лямбда»: короткий хвостик и две головки, или, скорее, две ноги, широко шагающие по актиновой нити (длина шага целых 36 нм) — а эти нити пронизывают каждую клетку, образуя цитоскелет. К хвостику могут прицепляться везикулы, РНК, митохондрии, и миозин их тащит куда надо.
Сотрудники физического факультета токийского Университета Васэда в 2007 году приклеили к одной из «ног» миозина тубулиновую микротрубочку с флуоресцентной меткой, чтобы понаблюдать за прогулкой в реальном времени. С тех пор было сделано не одно подобное исследование, и ролики с анимированной реконструкцией гуляющих белков — не только миозина V, но и других, например кинезина, идущего по тубулину, — собирают сотни тысяч просмотров. Конечно, все понимают, что белок не наделен разумом и характером, что это просто биомашинка, но, глядя, как он шлепает вперед с апломбом и грацией диснеевского гнома, да еще тащит за собой огромный мешок везикулы, — невозможно не улыбнуться.

Прогулка миозина V по актиновой нити

Гуляющие белки в рисованных видеороликах так загребают ногами не смеха ради. Наиболее правдоподобные модели — именно те, где походка у них как у сильно пьяного или стукнутого по голове героя мультика. Когда та нога, что сзади, отрывается от актина, передняя наклоняется вперед под острым углом (на это расходуется энергия АТФ). А свободную ногу забрасывает вперед броуновское движение. Действием инерции и силы тяжести для белков в растворе можно пренебречь, а вот тепловое движение молекул учитывать необходимо. Оно и определяет изящество походки.

Автор этой заметки не стремится умалить заслуги лауреатов 2016 года. Если у кого­-то (тем более у самой эволюции!) результаты лучше наших, это не повод для огорчения, а новая цель. Кто знает, может быть, моторчик и машинка Бена Феринги — лишь первый шаг, а в конце пути — роботы, состоящие из маленьких механизмов, такие же сложные, как мы сами.

Видеоролики с гуляющими белками

Источник