Машина из молекул. За что дали Нобелевскую премию по химии

Фрезер Стоддарт (в центре с бокалом) / Фото: Getty Images
Фрезер Стоддарт (в центре с бокалом) / Фото: Getty Images

Нобелевской премией по химии наградили создателей сверхминиатюрных механизмов. О том, почему важны их открытия, Фокусу рассказал химик Евгений Пилипчук

Номинация: Нобелевская премия по химии.
Кто получил: Жан-Пьер Саваж (1/3 премии), химик, почётный профессор Страсбургского университета (Франция); Фрезер Стоддарт (1/3 премии), химик, профессор Северо-Западного университета (штат Иллинойс); Бернард Феринга (1/3 премии), химик, профессор Гронингенского университета (Нидерланды).
За что наградили: За проектирование и синтез молекулярных машин.
Что это значит: Создание сложных молекул, способных выполнять определённые движения и действия при получении энергии в будущем может привести к созданию "умных" материалов и машин размером в 1000 раз тоньше человеческого волоса. И даже нанороботов, способных находить раковые клетки или доставлять лекарства в строго обусловленные зоны организма.

Сейчас молекулярные моторы находятся на той же стадии развития, что и электрические моторы в 1830-х годах

Если молекула может двигаться, значит, она состоит как минимум из двух "деталей", которые жёстко не соединены друг с другом. Первые подобные молекулы были созданы ещё в 1950-х и представляли собой что-то наподобие двух соединённых колец. Их называют катенаны (от латинского catena — цепь). Синтезировать их было очень сложно, поэтому они рассматривались скорее как некие диковинки, не более.

В 1980-х Жан-Пьер Саваж нашёл надёжный и эффективный способ создания катенанов. А в 1990-х сумел сделать так, чтобы одно кольцо молекулы вращалось вокруг другого определённым образом. Это был первый прообраз небиологической молекулярной машины.

С тех пор в лабораториях были созданы самые разные молекулярные машины, которые по их функциональности можно было бы назвать "лифт", "искусственный мускул", "компьютерный чип" или "мотор". А в 2011 году группа Бернарда Феринга продемонстрировала, как работает 4-колёсный наноавтомобиль (по внешнему виду он действительно схематически напоминает автомобиль).

Королевская шведская академия наук, которая присуждает Нобелевские премии, в своём сообщении отмечает, что сейчас молекулярные моторы находятся на той же стадии развития, что и электрические моторы в 1830-х годах. Тогда исследователи в своих лабораториях гордо демонстрировали различные вращающиеся части, даже не представляя, что в будущем с их помощью смогут работать стиральные машины, кухонные комбайны или электро­мобили.

кандидат химических наук, научный сотрудник Института химии поверхности им. А. А. Чуйко НАН Украины


— В этом году Нобелевскую премию по химии получат учёные, которые работают в области супрамолекулярной, или, как её ещё называют, надмолекулярной химии.

Обычно атомы в молекуле соединены с помощью химических связей — ковалентных, ионных и так далее. А супрамолекулярная химия в большинстве случаев имеет дело со связями другой природы, например, когда молекулы взаимодействуют за счёт своей геометрии.

Например, что сделал Стоддарт? Он взял одну молекулу, которую можно условно назвать стержнем, а надел на неё другую — имеющую форму наподобие кольца. Это молекула ротаксана. Поскольку на концах "стержня" есть утолщения, как у гантели, кольцо не может слететь, но может вращаться или перемещаться от одного края стержня к другому. Получается, что химической связи нет, но в силу своей геометрии две молекулы соединены между собой. Это так называемая топологическая связь.

Вообще супрамолекулярная химия возникла из наблюдений за живой природой. Представьте, например, белок гемоглобин, который переносит кислород в нашем организме. Он способен захватывать молекулу кислорода, хотя "традиционной" химической связи между белком и этой молекулой нет. Жан-Пьер Саваж как раз изучал подобные процессы, но на примере фотосинтеза.

Можно сказать, что в определённом смысле супрамолекулярная химия решает задачу, как оперировать одним атомом. Ведь оперировать килограммом калия, например, не сложно. Оперировать 10 тысячами атомов калия тоже можно, а вот одним атомом — это уже совершенно другая, более сложная задача.

Среди первых в супрамолекулярной химии были работы, посвящённые системе молекул "хозяин — гость". Представьте, что есть некая циклическая молекула, то есть молекула в форме кольца, и её внутренний размер отвечает размеру иона калия. Получается, что ион натрия может пройти через такие "ворота", а ион калия уже не может. Это и есть пример системы "хозяин — гость".

В последующие годы были созданы самые разные молекулы, которые можно рассматривать как прототипы молекулярных двигателей, манипуляторов, переключателей и т. д. Созданы молекулы, способные хранить информацию и даже выполнять логические операции. Возможно, когда-нибудь это поможет создать суперкомпьютеры, работающие на новых принципах.

Но нужно понимать, что пока подобные молекулярные машины — это лишь слабая тень того, что есть в природе. В 2013 году Science опубликовал работу группы учёных из Манчестерского и Эдинбургского университетов. Им удалось на основе молекулы всё того же ротаксана создать машину, которая соединяет аминокислоты в цепочки. Она делает приблизительно то же, что и рибосомы в живых клетках, хоть устроена совершенно иначе. С одной стороны, это действительно прорыв. С другой — продуктивность её работы пока даже приблизительно не может сравниться с продуктивностью "молекулярных машин" в наших клетках, способных производить тысячи разных сложнейших белков.