Сила – в молекулярном движении

Жан-Пьер Соваж

Нобелевская премия по химии присуждена трем специалистам по топологической химии «за разработку и синтез молекулярных машин». Формула краткая, поэтому в нее не вошли молекулярные цепи и «роторы». Премии удостоились Жан-Пьер Соваж, сэр Фрейзер Стоддарт и Бернард Феринга. Соваж родился в 1944 году в Париже и в 1971 году удостоился докторской степени в Страсбургском университете, где работает и поныне. Стоддарт, родившийся в Эдинбурге, двумя годами моложе француза, степень получил в 24 года, после чего перебрался за океан, где и занимает профессорскую должность в Северо-Западном университете г. Эванстона, штат Иллинойс. Самый молодой из тройки лауреатов – Феринга: он родился в 1951 году в голландском городе Баргер, докторскую диссертацию защитил в 1978 году в университете Гронингена.

Считается, что интеллектуальным драйвером химиков-топологов стал, сам того не осознавая, знаменитый Ричард Фейнман, еще в конце 1950-х ставший провозвестником будущих нанотехнологий. В своей лекции 1984 года он предложил своим слушателям подумать над тем, как создать молекулярные машины. Самое удивительное в том, что уже на следующий год Соваж опубликовал свою первую статью с описанием метода замыкания – interlocking – двух циклических молекул друг на друга. Одна из них поначалу была разомкнутой, конец ее «продевался» в другую, подобно нитке в игольное ушко, а затем она замыкалась с использованием иона меди.

Бернард Феринга

Через 10 лет после фейнмановских слов Стоддарт использовал медь для механического «связывания» – без образования крепких ковалентных связей с участием двух электронов – двух, а затем и трех молекул с получением молекулярного претцеля-кренделя, или, как еще в шутку окрестили эту молекулярную конструкцию, «наручников».

Феринге же первому удалось создать первый молекулярный мотор, который мог вращаться в избранном направлении. Ничтожные размеры моторчика и отсутствие трения позволили довести его скорость вращения до 12 млн вращений в секунду! Мощность мотора позволяет приводить во вращение стеклянный цилиндр длиной 28 микрон (микрометров), который в 10 тыс. раз тяжелее двигателя. Использование мотора в жидком кристалле привело к изменению структуры последнего в результате вращения жидкокристаллических компонентов.

Технологии, разработанные лауреатами, позволили также создать ротаксаны, или молекулярные устройства, использующие вращение одной составной части вокруг молекулярной оси. Интерес ученых к топологическим «искривлениям» различных структур проявился в присуждении двух премий этого года физикам и химикам, использующим 3D-подход в своих исследованиях самых разных сред и структур. Можно напомнить, что название «топологии» идет от греческого «топос» для обозначения вершин. В пресс-релизе Нобелевского комитета специально подчеркивается, что награда присуждена за достижения в топологической химии.

Фрейзер Стоддарт. Фото Reuters

Работы лауреатов обеспечили ученых набором инструментов, с помощью которых в 2013 году был создан молекулярный робот, использующий ротаксан для улавливания в растворе аминокислот и их сцеплении друг с другом. Тем самым заложена основа будущих молекулярных контейнеров для «сборки» протеинов нужной последовательности.

Дальнейшим развитием технологий, созданных лауреатами 2016 года, стало конструирование молекулярного «авто» с продольной станиной и двумя поперечными мостами, к концам которых прикреплены колеса из двух плоских соединенных друг с другом «колес». Слово «колеса» взяты в кавычки в связи с тем, что они не вращаются на оси, а меняют положение подобно лопастям колесного парохода. Но вот в MOF – металло-органической «раме» – молекулярное колесо присутствует. Название показывает, что атомы металла используются для сборки и крепления органического каркаса наподобие спортивного, посредине которого укреплена ось с двумя утолщениями. Между ними в двух противоположных направлениях перемещается молекулярное кольцо, движение которого ограничено указанными утолщениями.

Представители довольно нового направления, каковым является топологическая химия, воспроизвели в простейших формах то, что давно уже знает биология, активно использующая кольца ДНК – плазмиды – в биотехнологии (плазмиды и кольцевые молекулы вирусных нуклеиновых кислот активно используются для переноса нужных генов).

Так что будущим поколениям химических топологов работы хватит.