Нобелевская премия по химии 2016

Нобелевская премия по химии 2016 года присуждена «за дизайн и синтез молекулярных машин».

Эта нанотехнология позволяет не только получать сложные супермолекулы, но и заставить их выполнять точные операции, в том числе с другими частицами – атомами и молекулами. Что такое машина? Это технический объект, который состоит из взаимосвязанных деталей и предназначен для выполнения определенной функции. Например, в паровой машине кривошипно-шатунный механизм превращает смещение поршня во вращение колеса. При этом тепловая энергия преобразуется в механическую. Молекулярная машина тоже может превратить энергию внешнего источника в направленное перемещение достаточно крупных фрагментов супермолекулы. Так, молекула-мотор нобелевского лауреата Бернарда Феринги под действием света начинает вращаться в строго заданном направлении.

Можно ли назвать такое перемещение механическим? Да, но лишь отчасти, ибо в такой супермолекуле движение отдельных частей относительно друг друга происходит в ходе фотохимического превращения, а потому является имитацией работы классических механизмов. Кроме того, на атомном и молекулярном уровне чрезвычайно велика вероятность хаотических, случайных перемещений (вспомним броуновское движение). Однако если на ухабистой дороге мы изрядно трясемся на велосипеде, но все же способны двигаться в нужном направлении, активно крутя педалями – вероятно, мы достигнем цели. Судя по всему, нобелевские лауреаты справились с весьма непростой, почти фантастической задачей – они научились контролировать движения фрагментов синтезированных ими супермолекул, т.е. фактически управлять этими самыми маленькими «велосипедами» в мире, крутя «молекулярными педалями».

В основе такого управления лежит умение «завязывать» молекулы в узлы и кольца. Второй лауреат Нобелевской премии, Жан-Пьер Соваж, смог с помощью химического синтеза зацепить одно молекулярное кольцо за другое. Стягивая и растягивая эти кольца при помощи физического или химического воздействия, можно получить управляемую молекулярную пружинку. Третьему лауреату, Джеймсу Фрейзеру Стоддарту, удалось на гантелеобразную молекулу надеть молекулярное колечко, которое можно заставить двигаться в электрическом поле и перемещать другие молекулы-грузики от одного конца «гантельки» к другому.

В живой клетке нет привычных для нас машин. Однако в природе существуют специальные молекулярные биомашины, которые занимаются копированием генетической информации, собирают сложные ансамбли и структуры, а также обслуживают и транспортируют их. Так, в основе любого активного движения живого организма лежит работа «молекулярных моторов» – сложных белковых комплексов, благодаря особенностям строения которых их отдельные части способны двигаться друг относительно друга. Очевидно, что химический синтез искусственных молекулярных машин открывает удивительные возможности и перспективы. По мнению Бернарда Феринги, наиболее важная область применения синтетических управляемых молекулярных машин – это адресная, таргетная (от англ. target - цель) доставка лекарственных препаратов к нужным клеткам, тканям и органам. Кроме того, эти весьма сложные соединения могут стать основой для новых микро- и нанопреобразователей энергии и сверхчувствительных датчиков.

В России над проблемой создания молекулярных машин – наноразмерных объектов, способных превращать энергию хаотичных тепловых колебаний в полезное направленное движение – интенсивно работают ученые Физического института имени П.Н. Лебедева РАН (ФИАН), Института химической физики РАН, МГУ им. М.В. Ломоносова.

(с) Олег Козадеров для газеты "Воронежский курьер"