Нобелевскую премию по химии в 2016 году вручили за проектирование и синтез молекулярных машин. Что это такое и как это работает, рассказывает «ПМ».

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.

Ферринга пошел дальше и на основе своего мотора построил четырехколесный «наноавтомобиль» (!), способный «ехать» в заданном направлении под действием света.

Самым удивительным свойством молекулярных машин оказалось то, что они, как и их аналоги из макромира, способны перемещать объекты крупнее себя. Молекулярный моторчик Ферринги способен увезти на себе стеклянную чешуйку, масса которой в 10 000 раз превышает массу молекулы.

Как было отмечено сегодня во время объявления имен лауреатов Нобелевской премии, молекулярные механизмы во многом остаются игрушкой ума, не находя практического применения: их слишком сложно построить и еще сложнее заставить работать. Но фундаментальные открытия, стоящие за кажущейся простотой их конструкции, уже применяются в реальной технике.

Главная область применения молекулярных механизмов — адресная доставка лекарств. В июле 2015 года команда американских ученых разработала управляемое светом вещество — аналог известного лекарства от рака, комбретастина А-3. Комбретастин печально известен тем, что наряду с опухолями атакует и здоровые ткани. Залог его правильной работы — точная доставка к раковым клеткам. Управляемую светом молекулу, в которой азот-азотная связь рвется и заставляет молекулярные «педали» вращаться только под действием синего света, можно направлять в нужное врачам место площадью всего около 100 мкм².