Молекулярні машини: Нобелівську премію з хімії присуджено за мініатюризацію. Нобелівську премію з хімії здобули троє вчених за створення молекулярних машин Нобелівська премія з хімії

Лауреатами Нобелівської премії з хімії стали Жан-П'єр Соваж, Бернард Ферінг і Фрезер Стоддарт.

Оголошення лауреатів Нобелівської премії з хімії

Москва. 5 жовтня. сайт - Нобелівську премію з хімії у 2016 році отримали Жан-П'єр Соваж, Бернард Ферінга та Фрезер Стоддарт з формулюванням "за проектування та синтез молекулярних машин".

Соваж – французький хімік, що спеціалізується на супрамолекулярній хімії. Це область хімії, що досліджує супрамолекулярні структури - ансамблі, що складаються з двох і більше молекул, які утримуються разом за допомогою міжмолекулярних взаємодій. Соваж став першим хіміком, який синтезував з'єднання з класу катенанів. Молекули цих речовин складаються з двох кілець, зчеплених один з одним; такий вид зв'язку називається топологічним, уточнює сайт N+1.

Ілюстрація структури молекулярної петлі, що розтягується і стискається.

Фрезер Стоддарт - шотландський вчений, який зараз працює в США, - розширив список сполук з подібними "нехімічними" зв'язками, синтезувавши ротаксан. Молекули ротаксанов складаються з довгого ланцюжка, на який вільно надіте кільце. Завдяки двом великим конструкціям на кінцях ланцюжка кільце не може "звалитися" з нього.

Створений Стоддартом молекулярний трансфер, здатний під контролем переміщатися вздовж осі

Бернард Ферінга - фахівець у галузі молекулярної нанотехнології та гомогенного каталізу - став першим хіміком, який розробив і синтезував молекулярний мотор - молекулу, яка під дією світла зазнавала структурних змін і починала обертатися подібно до лопаті вітряка в строго заданому напрямку. У 1999 році за допомогою молекулярних моторів вченому вдалося змусити обертатися скляний циліндр у 10 тис. разів, що перевищував розмір моторів.

Приклад молекулярної машини з чотирма "колесами"

У 2015 році лауреатами Нобелівської премії в тій же категорії стали швед Томас Ліндаль, який працює у Великій Британії, і американець Пол Модріч, який проводить дослідження на території США, і вчений турецького походження Азіз Санкар. Нагорода була присуджена їм за дослідження механізмів репарації ДНК - особливої функції клітин, що полягає у здатності виправляти хімічні ушкодження та розриви в молекулах ДНК, що відбуваються при нормальному біосинтезі або внаслідок впливу фізичних чи хімічних агентів.

Нобелівську премію в галузі хімії у 2014 році американці Ерік Бетціг та Уїлльям Монер та німець Штефан Хелль за внесок у розвиток флуоресцентної мікроскопії надвисокого дозволу.

Раніше цього тижня стали відомі лауреати Нобелівської премії з медицини (її отримав японський учений Йосінорі Осумі) та Нобелівської премії з фізики (лауреатами стали Девід Таулес, Дункан Холдейн і Майкл Костерлітц за топологічними фазовими переходами і топологічними фазами матерії".

Єдиним на сьогоднішній день російським Нобелівським лауреатом з хімії став у 1956 році Микола Семенов (1896-1986) разом із англійцем Сирилом Хіншелвудом за дослідження механізму хімічних реакцій.

Наступного володаря Нобелівської премії – лауреата премії миру – оголосять у п'ятницю 7 жовтня.

Лауреати Нобелівської премії у 2016 році отримають 8 млн шведських крон (близько $931 тис.). Церемонія нагородження лауреатів пройде традиційно в Стокгольмі 10 грудня, в день смерті засновника Нобелівських премій - шведського підприємця та винахідника Альфреда Нобеля (1833-1896).

відзначили

Лауреати: француз Жан-П'єр Соваж (Jean-Pierre Sauvage) зі Страсбурзького університету, уродженець Шотландії сер Дж. Фрейзер Стоддарт (Sir J. Fraser Stoddart) з Північно-Західного університету (штат Іллінойс, США) та Бернард Л. Ферінга (Bernard L Feringa) з Гронінгенського університету (Нідерданди).

джерело: pbs.twimg.com

Формулювання про нагородження звучить так: «за проектування та синтез молекулярних машин». Цьогорічні лауреати сприяли мініатюризації технології, яка може мати революційне значення. Соваж, Стоддарт і Ферінга не тільки зменшили машини, а й надали хімії нового виміру.

Вчені створили молекулярні механізми, які можуть здійснювати спрямовані рухи і цим діяти як справжні машини. Їх можна застосовувати насамперед у різних сенсорах, а також у медицині.

Як говориться в прес-релізі Королівської Шведської академії наук, перший крок до молекулярної машини професор Жан-П'єр Соваж зробив у 1983 році, коли він успішно поєднав дві кільцеподібні молекули разом, сформувавши ланцюг, відомий як катенан. Зазвичай молекули з'єднуються сильними ковалентними зв'язками, в яких атоми діляться електронами, але в цьому ланцюзі вони з'єднані вільнішим механічним зв'язком. Щоб машина могла виконувати завдання, треба, щоб вона складалася з частин, які можуть рухатися щодо один одного. Два з'єднані кільця повністю відповідають цій вимогі.

Другий крок зробив Фрейзер Стоддарт в 1991 році, коли він розробив ротаксан (вид молекулярної структури). Він просунув молекулярне кільце в тонку молекулярну вісь і показав, що це кільце може рухатися вздовж осі. На ротаксанах засновані такі розробки як молекулярний ліфт, молекулярний м'яз і на комп'ютерний чіп.

А Бернард Ферінг був першою людиною, що розробила молекулярний мотор. У 1999 році він отримав молекулярну лопату ротора, що постійно обертається в одному напрямку. Використовуючи молекулярні мотори, він обертав скляний циліндр, який був у 10 тисяч разів більший, ніж мотор, також вчений розробив нанокар.

Цікаво, що лауреати-2016 не надто «світилися» у різних списках фаворитів, які щороку з'являються напередодні «нобелівського тижня».

Серед тих, кому цього року мас-медіа пророкували премію з хімії, наприклад, Джордж М. Черч та Фен Чжан (обидва працюють у США) – за застосування редагування геномів CRISPR-cas9 у клітинах людини та мишей.

Також у списках фаворитів фігурував учений з Гонконгу Денніс Ло (Денніс Ло Юкмін) – за виявлення безклітинної внутрішньоутробної ДНК у материнській плазмі, що справило революцію у неінвазивному пренатальному тестуванні.

Називались і імена японських учених – Хіросі Маєда та Ясухіро Мацамура (за відкриття ефекту збільшеної проникності та затримання макромолекулярних ліків, що є ключовою знахідкою для лікування ракових захворювань).

У деяких джерелах можна було зустріти ім'я хіміка Олександра Спокійного, який народився в Москві, але після переїзду його сім'ї до Америки живе і працює в США. Його називають «висхідною зіркою хімії». До речі, єдиним радянським лауреатом Нобелівської премії з хімії став академік Микола Семенов у 1956 році за розробку теорії ланцюгових реакцій. Найбільше серед нагороджених цією премією – вчені із США. На другому місці – німецькі вчені, на третьому – британські.

Премію з хімії цілком можна назвати «самою Нобелівською з Нобелівських». Адже людина, яка започаткувала цю нагороду, Альфред Нобель був саме хіміком, а в Періодичній системі хімічних елементів поруч із менделевієм знаходиться нобелій.

Рішення про присудження цієї нагороди ухвалює Королівська Шведська академія наук. З 1901-го (тоді першим нагородженим в галузі хімії став голландець Якоб Хендрік Вант-Гофф) по 2015 Нобелівська премія з хімії присуджувалася 107 разів. На відміну від аналогічних нагород у галузі фізики чи медицини її частіше надавали одному лауреату (у 63 випадках), а не декільком одразу. При цьому лише чотири жінки ставали лауреатами з хімії – серед них Марі Кюрі, яка мала також Нобелівську премію з фізики та її доньку Ірен Жоліо-Кюрі. Єдиною людиною, яка отримала хімічного «Нобеля» двічі, став Фредерік Сангер (1958 та 1980 рр.).

Наймолодшим же нагородженим виявився 35-річний Фредерік Жоліо, який отримав премію 1935 року. А найстаршим став Джон Б. Фенн, якого Нобелівська нагорода «нагнала» у віці 85 років.

Минулого року нобелівськими лауреатами з хімії стали Томас Ліндал (Великобританія) та двоє вчених зі США – Пол Модріч та Азіз Санчар (виходець із Туреччини). Нагороду було присуджено їм за «механічні дослідження відновлення ДНК».

Нагорода трьом ученим дісталася за революційні відкриття

У середу, 5 жовтня, у Стокгольмі представниками Королівської шведської академії наук було оголошено рішення про присудження Нобелівської премії з хімії за 2016 рік. Лауреатами стали троє вчених із різних країн: француз Жан-П'єр Соваж (Jean-Pierre Sauvage) із Страсбурзького університету, уродженець Шотландії сер Дж. Фрейзер Стоддарт (Sir J. Fraser Stoddart) із Північно-Західного університету (штат Іллінойс, США) та Бернард Л. Ферінга (Bernard L. Feringa) з Гронінгенського університету (Нідерданди).

Лауреатами Нобелівської премії з хімії 2016 року стали Жан-П'єр Соваж зі Страсбурзького університету (Франція), Фрейзер Стоддарт із Північно-Західного університету (США) та Бернард Ферінга з Гронінгенського університету (Голландія). Престижний приз було видано «за дизайн та синтез молекулярних машин» - окремих молекул або молекулярних комплексів, які можуть здійснювати певні рухи при подачі енергії ззовні. Подальший розвиток цієї галузі обіцяє прориви в багатьох галузях науки та медицини.

Нобелівський комітет регулярно наголошує на роботах, в яких, крім наукової цінності, є ще деяка додаткова особливість. Так, наприклад, у відкритті графена Геймом і Новосьоловим (див. Нобелівська премія з фізики - 2010, «Елементи», 11.10.2010), крім самого відкриття та його використання для спостереження квантового ефекту Холла при кімнатній температурі, були чудові технічні подробиці: шарів графіту простим скотчем. У Шехтмана, який відкрив квазікристали, була історія наукового протистояння з іншим шановним нобеліатом - Полінгом, який заявляв, що «немає жодних квазікристалів, а є квазівчені».

В області молекулярних машин, на перший погляд, жодної подібної родзинки немає, якщо виключити той факт, що один із лауреатів, Стоддарт, має лицарське звання (він такий не перший). Але насправді важлива особливість все ж таки є. Синтез молекулярних машин - це чи не єдина область в академічній органічній хімії, яку можна назвати чистою інженерією на молекулярному рівні, де люди роблять дизайн молекули з нуля та не заспокоюються, доки її не отримають. У природі подібні молекули, звичайно, є (так влаштовані деякі білки органічних клітин – міозин, кінезини – або, наприклад, рибосоми), але до такого рівня складності людям ще далеко. Тому поки молекулярні машини - плід людського розуму від початку і до кінця, без спроб наслідувати природу або пояснювати природні явища, що спостерігаються.

Отже, йдеться про молекули, в яких одна частина здатна рухатися відносно іншої контрольованим чином - як правило, використовуючи зовнішні впливи і тепло для переміщення. Для створення таких молекул Соваж, Стоддард та Ферінга вигадали різні принципи.

Соваж і Стоддард робили механічно зчеплені молекули: катенани - два і більше зчеплених молекулярних кільця, що обертаються один щодо одного (рис. 1), і ротаксани - складові молекули з двох частин, в яких одна частина (кільце) може рухатися вздовж іншої (пряма основа) ), що має об'ємні групи (стопери) по краях, щоб кільце «не злітали» (рис. 2).

З використанням вищевикладеної концепції було створено «молекулярний ліфт», «молекулярні м'язи», різні молекулярні топологічні структури, які мають теоретичний інтерес, і навіть штучна рибосома, здатна дуже повільно синтезувати короткі білки.

Підхід Ферінг був принципово інший і дуже елегантний (рис. 3). У молекулярному моторі Феринги частини молекули, що крутяться один щодо одного, зчеплені не механічно, а справжнісіньким ковалентним зв'язком - подвійним зв'язком вуглець-вуглець. Обертання груп навколо подвійного зв'язку без зовнішнього впливу неможливе. Таким впливом може бути опромінення ультрафіолетом: образно висловлюючись, ультрафіолет селективно рве один зв'язок у подвійний, дозволяючи обертання на секунду. При цьому у всіх положеннях молекула Феринги структурно напружена і подвійний зв'язок подовжено. Молекула при повороті слід найменшому опору, намагаючись знайти становище з найменшою напругою. Це їй зробити не вдається, зате на кожному етапі вона повертається майже виключно в один бік.

Подібний мотор з невеликими модифікаціями, як показали в 2014 році, здатний робити приблизно 12 мільйонів оборотів в секунду (J. Vachon et al., 2014). Найкрасивіше використання мотора Ферінги було продемонстровано у «наномашині» на золотій підкладці (рис. 4). Чотири мотори, прив'язані на кшталт коліс до довгої молекули, обертаються в один бік, і машина їде вперед.

В даний момент йде розробка молекулярного двигуна, який можна активувати видимим світлом замість УФ. За допомогою такого двигуна можна буде перетворювати сонячну енергію в механічну абсолютно безпрецедентним способом - минаючи електрику.

У найсвіжішій своїй роботі, опублікованій у журналі Американського хімічного товариства ( JACS), Ферінг показав дизайн мотора, швидкість обертання якого можна контролювати хімічним впливом, як показано на рис. 5. При додаванні молекули-ефектора (дихлориду металу - цинку Zn, паладію Pd або платини Pt) до молекулярного мотора, останній змінює конформацію, що полегшує обертання. Вимірювання показали, що при 20°C з трьох перевірених ефекторів мотор найшвидше обертається з платиною (з частотою 0,13 Hz), трохи повільніше - з паладієм (0,035 Hz) і ще повільніше - з цинком (0,009 Hz). Максимальна швидкість двигуна без ефектора – 0,0041 Hz. Спостережуване явище було підтверджено квантово-механічними розрахунками структур двигуна з ефекторами та без. З розрахунків видно, як змінюється конформація та наскільки полегшується обертання.

Насамкінець варто сказати, що молекулярні мотори поки не знайшли застосування в повсякденному житті, але майже напевно це справа часу і вже в найближчому майбутньому ми побачимо їхнє активне використання.

Джерела:
1) The Nobel Prize in Chemistry 2016 – офіційне повідомлення Нобелівського комітету.
2) Molecular Machines – докладний огляд робіт лауреатів, підготовлений Нобелівським комітетом.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa та Sander J. Wezenberg. Всеохоплююча регуляція ротаційної швидкості в Light-Driven Molecular Motor // Journal of the American Chemical Society. September 26, 2016. V. 138 (41). P. 13597-13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Григорій Молєв

Сьогодні стали відомі лауреати Нобелівської премії з хімії 2016 року. "За проектування та синтез молекулярних машин" троє хіміків отримають загалом 58 мільйонів рублів - Жан-П'єр Соваж (Франція), сер Фрейзер Стоддарт (США) та Бернард Ферінга (Голландія). Про те, що таке молекулярні машини і чому їх створення заслуговує на таку престижну наукову нагороду, розповідає Лайф.

Що таке машина у максимально загальному розумінні цього терміна? Це пристрій, заточений під певні операції, здатний виконувати їх "в обмін" на паливо. Машина може обертатися, піднімати або опускати якийсь об'єкт, може навіть працювати в ролі насоса.

Але наскільки малою може бути така машина? Наприклад, деякі деталі механізмів годинника виглядають зовсім крихітними - чи може бути щось менше? Так, безумовно. Фізичні методи дозволяють вирізати шестерню діаметром у пару сотень атомів. Це у сотні тисяч разів менше, ніж знайомий за шкільною лінійкою один міліметр. 1984 року нобелівський лауреат Річард Фейнман поставив фізикам питання про те, наскільки маленьким може бути механізм із рухомими частинами.

Фейнман був натхненний прикладами з природи: джгутики бактерій, що дозволяють цим мікроорганізмам рухатися, обертаються завдяки комплексу, що складається з декількох молекул білків. Але чи може людина створити щось таке?

Молекулярні машини, що складаються, можливо, з усього однієї молекули, здаються чимось із області фантастики. Насправді ми тільки недавно навчилися маніпулювати атомами (відомий експеримент IBM відбувся в 1989 році) і працювати з одиночними нерухомими молекулами. Для цього фізики створюють величезні установки та витрачають неймовірні зусилля. Тим не менш, хіміки знайшли шлях, що дозволяє відразу створювати квінтильйони таких пристроїв. Саме він став предметом Нобелівської премії 2016 року.

Головною проблемою створення машини, що складається з однієї молекули, є хімічна зв'язок. Саме те, що пов'язує всі атоми молекули докупи, заважає їй мати рухливі частини. Щоб вирішити це протиріччя, хіміки " вигадали " новий тип зв'язку - механічний.

На що схожі механічно пов'язані молекули? Уявімо собі велику молекулу, атоми в якій вишикувалися в кільце. Якщо просмикнути через неї інший ланцюжок атомів і теж замкнути її в кільце, ми отримаємо частинку, яку неможливо розділити на два кільця, не розірвавши хімічних зв'язків. Виходить, що з точки зору хімії ці кільця пов'язані, але справжнього хімічного зв'язку між ними немає. До речі, таку конструкцію назвали катенаном, від латинського. catena- Ланцюг. Назва відображає те, що такі молекули схожі на ланки ланцюжка, з'єднані між собою.

Лауреат із Франції, Жан-П'єр Соваж, отримав премію багато в чому за проривні роботи, що стосувалися методів синтезу катенанів. У 1983 році вчений вигадав, як можна подібні молекули отримувати цілеспрямовано. Він став першим, хто синтезував катенан, але метод темплатного синтезу, запропонований ним, використовується й у сучасних роботах.

Є й інший клас механічно пов'язаних сполук, він називається ротаксани. Молекули таких сполук складаються з кільця, крізь яке пройдено ланцюжок атомів. На кінцях цього ланцюжка хіміки поміщають спеціальні "затички", що не дозволяють кільцю зісковзнути з ланцюга. Ними займався інший нобелівський цьогорічний лауреат, сер Джеймс Фрейзер Стоддарт. До речі, уроджений шотландець Стоддарт є володарем титулу лицаря-бакалавра. Присвятила його в лицарі сама королева Єлизавета II за його роботи з органічного синтезу. Втім, зараз Стоддарт працює у США, у Північно-Західному університеті.

У цих класах з'єднань окремі фрагменти можуть вільно переміщатися щодо одного. Кільця катенанів можуть вільно обертатися один щодо одного, а кільце на ротаксані здатне ковзати вздовж ланцюжка. Це робить їх добрими кандидатами на роль молекулярних машин, якими зацікавився Фейнман. Однак, щоб ці конструкції можна було так назвати, від них необхідно домогтися ще одного – керованості.

Спеціально для цього хіміки скористалися базовими ідеями електростатики: якщо зробити одне з кілець зарядженим, а на другому кільці (або ланцюжку) помістити фрагменти, які можуть змінювати свій заряд під дією зовнішніх впливів, то можна змусити кільце відштовхуватися від однієї області кільця (або ланцюжка) та переміщатися до іншої. У перших експериментах вчені навчилися змушувати молекулярні машини виконувати подібні операції з допомогою хімічних впливів. Наступним кроком стало використання для тих самих цілей світла, електричних імпульсів і навіть просто тепла - ці способи передачі "палива" дозволили прискорити роботу машин.

Окремо варто виділити роботу третього лауреата Бернарда Феринги. Голландському хіміку вдалося уникнути механічно пов'язаних молекул. Натомість учений знайшов спосіб змусити обертатися молекули сполуки, що містить традиційні хімічні зв'язки. У 1999 році Ферінг продемонстрував молекулу, схожу на дві з'єднані між собою лопаті. Кожна з цих лопатей намагалася відштовхуватися один від одного, а їхня несиметрична форма робила вигідним обертання лише в одному напрямку, ніби на "осі" між цими лопатями знаходився храповик.

Для того, щоб змусити молекулу працювати як ротор, було досить просто посвітити на неї ультрафіолетом. Лопаті починали обертатися один щодо одного в заданому напрямку. Пізніше хіміки навіть закріпили такі молекули-ротори на величезній (порівняно з самим ротором) частинці і таким чином змусили її обертатися. До речі, швидкість обертання вільного ротора може досягати десятка мільйонів обертів на секунду.

За допомогою цих трьох найпростіших молекул хіміки спромоглися створити цілий набір різноманітних молекулярних машин. Одним з найкрасивіших прикладів є молекулярна "м'яз", що є дивним гібридом катенана і ротаксана. При хімічних впливах (додаванні солей міді) "м'яз" скорочується на два нанометри.

Інший варіант молекулярної машини – "ліфт", або підйомник. Його представила у 2004 році група Стоддарта на основі ротаксанів. Пристрій дозволяє піднімати та опускати молекулярний майданчик на 0,7 нанометра, виробляючи "відчутне" зусилля в 10 пікопаскалів.

У 2011 році Ферінг показав концепцію чотирироторної молекулярної "машини", здатної їздити під дією електричних імпульсів. " Наномашину " як вдалося побудувати, а й вдалося підтвердити її працездатність: кожен оборот роторів справді трохи змінював становище молекули у просторі.

Хоча ці пристрої виглядають цікавими, необхідно згадати, що однією з вимог Нобеля до лауреатів була важливість відкриттів для науки і людства. Частково на питання "а навіщо це потрібно?" відповів Бернард Ферінга, коли йому повідомили про нагороду. За словами хіміка, маючи подібні керовані молекулярні машини, стає можливим створення медичних нанороботів. "Уявіть собі крихітних роботів, яких лікарі майбутнього зможуть ввести у ваші вени і направити на пошук ракових клітин". Вчений зазначив, що почувається так само, як, ймовірно, почувалися брати Райт після першого польоту, коли люди запитували їх про те, навіщо можуть бути взагалі потрібні літаючі машини.