Нобелевскую премию по химии получили трое ученых за создание молекулярных машин. Молекулярные машины: Нобелевская премия по химии присуждена за миниатюризацию А в это время

Лауреатами Нобелевской премии по химии 2016 года стали Жан-Пьер Соваж из Страсбургского университета (Франция), Фрейзер Стоддарт из Северо-Западного университета (США) и Бернард Феринга из Гронингенского университета (Голландия). Престижный приз был выдан «за дизайн и синтез молекулярных машин» - отдельных молекул или молекулярных комплексов, которые могут совершать определенные движения при подаче энергии извне. Дальнейшее развитие этой области сулит прорывы во многих областях науки и медицины.

Нобелевский комитет регулярно отмечает работы, в которых, помимо научной ценности, есть еще некоторая дополнительная изюминка. Так, например, в открытии графена Геймом и Новосёловым (см. Нобелевская премия по физике - 2010 , «Элементы», 11.10.2010), помимо самого открытия и его использования для наблюдения квантового эффекта Холла при комнатной температуре, были замечательные технические подробности: отслаивание слоев графита простым скотчем. У Шехтмана , открывшего квазикристаллы , была история научного противостояния с другим уважаемым нобелиатом - Полингом , заявлявшим, что «нет никаких квазикристаллов, а есть квазиученые».

В области молекулярных машин , на первый взгляд, никакой подобной изюминки нет, если исключить тот факт, что один из лауреатов, Стоддарт, имеет рыцарское звание (он такой не первый). Но на самом деле важная особенность всё же есть. Синтез молекулярных машин - это чуть ли не единственная область в академической органической химии, которую можно назвать чистой инженерией на молекулярном уровне, где люди делают дизайн молекулы с нуля и не успокаиваются, пока ее не получат. В природе подобные молекулы, конечно, есть (так устроены некоторые белки органических клеток - миозин , кинезины - или, например, рибосомы), но до такого уровня сложности людям еще далеко. Поэтому пока молекулярные машины - плод человеческого разума от начала и до конца, без попыток подражать природе или объяснять наблюдаемые природные явления.

Итак, речь идет о молекулах, в которых одна часть способна двигаться относительно другой контролируемым образом - как правило, используя отчасти внешние воздействия и тепло для перемещения. Для создания таких молекул Соваж, Стоддард и Феринга придумали разные принципы.

Соваж и Стоддард делали механически сцепленные молекулы: катенаны - два и более сцепленных молекулярных кольца, вращающихся друг относительно друга (рис. 1), и ротаксаны - составные молекулы из двух частей, в которых одна часть (кольцо) может двигаться вдоль другой (прямая основа), имеющей объемные группы (стопперы) по краям, чтобы кольцо «не слетало» (рис. 2).

С использованием вышеизложенной концепции были созданы «молекулярный лифт», «молекулярные мышцы», различные молекулярные топологические структуры, представляющие теоретический интерес, и даже искусственная рибосома, способная очень медленно синтезировать короткие белки.

Подход Феринги был принципиально другой и очень элегантный (рис. 3). В молекулярном моторе Феринги крутящиеся друг относительно друга части молекулы сцеплены не механически, а самой настоящей ковалентной связью - двойной связью углерод-углерод. Вращение групп вокруг двойной связи без внешнего воздействия невозможно. Таким воздействием может быть облучение ультрафиолетом: образно выражаясь, ультрафиолет селективно рвет одну связь в двойной, разрешая вращение на долю секунды. При этом во всех положениях молекула Феринги структурно напряжена и двойная связь удлинена. Молекула при повороте следует наименьшему сопротивлению, пытаясь найти положение с наименьшим напряжением. Это ей сделать не удается, но зато на каждом этапе она поворачивается почти исключительно в одну сторону.

Подобный мотор с небольшими модификациями, как показали в 2014 году, способен делать примерно 12 миллионов оборотов в секунду (J. Vachon et al., 2014. An ultrafast surface-bound photo-active molecular motor). Наиболее красивое использование мотора Феринги было продемонстрировано в «наномашине» на золотой подложке (рис. 4). Четыре мотора, привязанные на манер колес к длинной молекуле, вращаются в одну сторону, и «машина» едет вперед.

В данный момент идет разработка молекулярного мотора, который можно активировать видимым светом вместо УФ. С помощью такого мотора будет возможно преобразовывать солнечную энергию в механическую совершенно беспрецедентным способом - минуя электричество.

В самой свежей своей работе , опубликованной в журнале Американского химического общества (JACS ), Феринга показал дизайн мотора, скорость вращения которого можно контролировать химическим воздействием, как показано на рис. 5. При добавлении молекулы-эффектора (дихлорида металла - цинка Zn, палладия Pd или платины Pt) к молекулярному мотору, последний меняет конформацию, что облегчает вращение. Измерения показали, что при 20°C из трех проверенных эффекторов мотор быстрее всего вращается с платиной (с частотой 0,13 Hz), чуть медленнее - с палладием (0,035 Hz) и еще медленнее - с цинком (0,009 Hz). Максимальная скорость мотора без эффектора - 0,0041 Hz. Наблюдаемое явление было подтверждено квантово-механическими расчетами структур мотора с эффекторами и без. Из расчетов видно, как меняется конформация и насколько облегчается вращение.

В заключение стоит сказать, что молекулярные моторы пока не нашли применения в повседневной жизни, но почти наверняка это дело времени и уже в ближайшем будущем мы увидим их активное использование.

Источники:
1) The Nobel Prize in Chemistry 2016 - официальное сообщение Нобелевского комитета.
2) Molecular Machines - подробный обзор работ лауреатов, подготовленный Нобелевским комитетом.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa, and Sander J. Wezenberg. Allosteric Regulation of the Rotational Speed in a Light-Driven Molecular Motor // Journal of the American Chemical Society . September 26, 2016. V. 138 (41). P. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Григорий Молев

В Стокгольме прошла ежегодная церемония объявления лауреатов Нобелевской премии по химии .

5 октября 2016 года были объявлены имена лауреатов Нобелевской премии по химии за 2016 год. Ими стали француз Жан-Пьер Суваж (Jean-Pierre Sauvage), американец шотландского происхождения Джеймс Фрейзер Стоддарт (Fraser Stoddart) и голландец Бернард Феринга (Bernard Feringa).

Формулировка премии: «За проектирование и синтез молекулярных машин «.

Молекулярные машины - устройства, манипулирующие одиночными атомами и молекулами. Они могут переносить их с одного места на другое, сближать, чтобы между ними образовалась химическая связь, или растаскивать, чтобы химическая связь порвалась. Размер молекулярной машины не может быть слишком большим. Обычно он составляет порядка нескольких нанометров.

Среди перспективных направлений применения таких машин молекулярная хирургия, целевая доставка препаратов (например, вглубь раковой опухоли, куда обычные лекарства почти не проникают), коррекция расстроенных биохимических функций организма.

Как говорится в пресс-релизе Королевской Шведской академии наук, первый шаг к молекулярной машине профессор Жан-Пьер Соваж сделал в 1983 году, когда он успешно соединил две кольцеобразные молекулы вместе, сформировав цепь, известную как катенан. Обычно молекулы соединяются сильными ковалентными связями, в которых атомы делятся электронами, но в этой цепи они соединены более свободной механической связью. Чтобы машина могла выполнять задачу, надо чтобы она состояла из частей, которые могут двигаться относительно друг друга. Два соединенных кольца полностью отвечают этому требованию.

Второй шаг был предпринят Фрейзером Стоддартом в 1991 году, когда он разработал ротаксан (вид молекулярной структуры). Он продел молекулярное кольцо в тонкую молекулярную ось и показал, что это кольцо может двигаться вдоль оси. На ротаксанах основаны такие разработки как молекулярный лифт, молекулярный мускул и основанный на молекуле компьютерный чип.

А Бернард Феринга был первым человеком, разработавшим молекулярный мотор. В 1999 году он получил молекулярную лопасть ротора, постоянно вращающуюся в одном направлении. Используя молекулярные моторы, он вращал стеклянный цилиндр, который был в 10 тысяч раз больше, чем мотор, также ученый разработал нанокар.

Лауреаты 2016 года разделят между собой в равных долях денежную часть премии в размере 8 млн шведских крон (примерно $933,6 тыс.).

Первую Нобелевскую премию по химии в 1901 году получил Якоб Хендрик Вант-Гофф в знак признания огромной важности открытия законов химической динамики и осмотического давления в растворах. С тех пор и до 2015 года её лауреатами стали 172 человека, из них 4 женщины.
Чаще всего Нобелевская премия по химии вручалась за работы в области биохимии (50 раз), органической химии (43 раза) и физической химии (38 раз).
В 2015 году Нобелевскую премию по химии получили швед Томас Линдаль , американец Пол Модрич и уроженец Турции Азиз Санджар «за механистические исследования репарации ДНК», на молекулярном уровне показавшие, как клетки восстанавливают поврежденную ДНК и сохраняют генетическую информацию.

ВСЕ ФОТО

Нобелевскую премию по химии 2016 года присудили троим ученым за проектирование и синтез молекулярных машин. Награду получили исследователь из Нидерландов Бернард Феринга, работающий в США британец Джеймс Фрейзер Стоддарт и француз Жан-Пьер Соваж, сообщается в пресс-релизе Нобелевского комитета.

Ученые смогли разработать самые маленькие в мире машины. Исследователи сумели связать молекулы вместе, создав крошечный лифт, искусственные мышцы и микроскопические моторы. "Лауреаты Нобелевской премии по химии 2016 года миниатюризировали машины и перевели химию в новое измерение", - говорится на сайте комитета. В пресс-релизе отмечается, что с развитием вычислительной техники миниатюризация технологий может привести к перевороту.

Группа ученых разработала молекулы с управляемыми движениями, которые могут выполнять задачи при добавлении энергии. Первый шаг на пути к созданию молекулярных машин предпринял Соваж в 1983 году, сформировав цепь из двух кольцеобразных молекул, получившую название катенан. Чтобы машина могла выполнить задачу, она должна состоять из частей, которые могли бы перемещаться относительно друг друга. Именно этому требованию соответствовали два соединенных Соважем кольца.

Второй шаг сделал Стоддарт в 1991 году, синтезировав ротаксан - соединение, в котором на гантелевидную молекулу надета кольцевая. Среди его разработок - молекулярный лифт, молекулярная мышца и созданный на основе молекул компьютерный чип.

Наконец, Феринга в 1999 году продемонстрировал работу молекулярных двигателей.

Предполагается, что в будущем молекулярные машины будут использовать в создании новых материалов, датчиков и систем запаса энергии.

Стоддарт родился в 1942 году в Эдинбурге. Ученый специализируется в области супрамолекулярной химии и нанотехнологий, работает в Северо-западном университете в американском штате Иллинойс. Соваж родился в Париже в 1944 году, он занимается научной деятельностью в Страсбургском университете, его специализация - координационные соединения. Феринга, родившийся в 1951 году в городе Баргер-Компаскум в Нидерландах, является профессором органической химии в голландском университете Гронинген.

Размер Нобелевской премии составляет 8 млн шведских крон. Награду по химии присуждают с 1901 года (кроме 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 и 1942 годов). В этом году премию вручили в 108-й раз.

В 2015 году Нобелевская премия по химии была присуждена шведу Томасу Линдалу, гражданину США Полу Модричу и американцу турецкого происхождения Азизу Санкару за исследование механизмов репараций ДНК. Работа ученых дала миру фундаментальные знания о функциях живых клеток и, в частности, об их использовании в новых методах борьбы с раком, сообщили в Нобелевском комитете. Предполагается, что около 80-90% всех раковых заболеваний связаны с отсутствием репарации ДНК.

Согласно правилам, Нобелевская премия по физике и химии может быть присуждена исключительно авторам статей, опубликованных в рецензируемой печати. Кроме того, открытие должно быть действительно существенным и универсально признанным мировым научным сообществом, поэтому экспериментаторы получают премию чаще теоретиков.

Накануне в Стокгольме вручили Нобелевскую премию по физике . Награды удостоились трое британских ученых, работающих в США. Британец Дункан Холдейн и американцы шотландского происхождения Дэвид Таулесс и Майкл Костерлиц получили премию за "теоретические открытия топологических фазовых переходов и топологических фаз материи". Ученые исследовали необычные состояния материи. Речь идет о сверхпроводниках, супержидкостях и тонких магнитных пленках.

Нобелевскую премию по физиологии и медицине за 2016 год 3 октября присудили 71-летнему японскому ученому Есинори Осуми. Его наградили за открытия в области аутофагии (от греч. "самопоедания") - процесса, при котором внутренние компоненты клетки доставляются внутрь ее лизосом (у млекопитающих) или вакуолей (клетки дрожжей) и подвергаются в них деградации.

Нобелевская премия по химии за 2016 год присуждена трем исследователям: Жан-Пьеру Соважу из Университета Страсбурга, Джеймсу Фрейзеру Стоддарту из Северо-Западного университета (США) и Бернарду Феринге из Университета Гронингена (Нидерланды) — за изобретение молекулярных машин.

«Миниатюрные лифты, мышцы и двигатели.

Эти ученые создали молекулы с контролируемыми движениями, способные выполнять работу при подводе к ним энергии», — говорится в заявлении Нобелевского комитета.

Члены Нобелевского комитета во время презентации лауреатов сравнили изобретение молекулярных машин с развитием машин в начале XIX века, в том числе более поздним развитием электрических моторов, ставших одним из ключевых этапов промышленной революции. Спустя несколько минут Нобелевскому комитету удалось дозвониться до одного из лауреатов — Бернарда Феринге.

«Я не знал, что сказать, это был большой сюрприз», — ответил Феринга на вопрос шведского журналиста, каковы были первые слова ученого, когда он узнал о присуждении ему премии. Химик обещал, что обязательно отпразднует премию со своей командой и студентами.

«Это был большой шок, я едва ли верил, что она работает», — сказал он на вопрос того же журналиста о реакции на первую заработавшую молекулярную машину. Химик пояснил, что развитие молекулярных машин поможет в будущем врачам использовать микророботов для доставки лекарств в нужное место организма, а также для поиска раковых клеток и других задач. Также он рассказал, как пришел к идее создания молекулярных машин.

Модель молекулярной машины Феринги

nobelprize.org

«Я начал с изобретения переключателей — мы хотели создать молекулярные переключатели, которые возможно переводить из состояния ноль в состояние один при помощи света.

Это стало началом для создания наших моторов размером в нанометры, а когда вам удается создать их, вы можете уже думать о дальнейших механизмах для транспорта и движения», — добавил Феринга.

Первый шаг к созданию молекулярных машин сделал еще в 1983 году Жан-Пьер Соваж, когда объединил две кольцевые молекулы вместе, образовав цепочку, названную катенаном.

В норме молекулы соединены сильными ковалентными связями, в которых атомы обмениваются электронами, но, когда они механически объединены в цепь, связь становится свободнее.

Следующий толчок в развитии дала разработка Фрейзером Стоддартом ротаксанов — соединений, состоящих из молекулярной оси и «надетой» на нее кольцевой молекулы. Ученый показал, что эта молекула могла ездить вдоль оси. На основе ротаксанов Стоддарт создал молекулярный лифт, молекулярные мускулы и молекулярный компьютерный чип.

Бернард Феринга был первым, кто разработал молекулярный мотор. В 1999 году он заставил молекулярную роторную лопатку постоянно вращаться в одном направлении. Используя молекулярные моторы, он смог поворачивать стеклянные цилиндры, которые были в 10 тыс. раз больше самого мотора, а в дальнейшем спроектировал «наноавтомобиль».

Сейчас молекулярные моторы находятся примерно на той же стадии развития, на какой электрические были в 1830-е годы, когда ученые конструировали вращающиеся с помощью рычагов колеса и не подозревали о том, что это приведет к появлению электропоездов, стиральных машин, фенов и кухонных комбайнов.

Молекулярный мотор

nobelprize.org

Молекулярные моторы, скорее всего, будут использоваться для создания новых материалов, сенсоров и энергосберегающих систем.

Ранее наиболее претендентами на премию по химии по версии компании Thomson Reuters были названы Джордж Черч и Фэн Джан, сумевшие отредактировать геномы мыши и человека с помощью системы CRISPR-Cas9. Эта система, изначально отвечающая за выработку приобретенного иммунитета у бактерий, оказалась пригодна для задач генной инженерии.

Кроме них на награду мог рассчитывать Деннис Ло, который разработал способ обнаружения внеклеточной ДНК плода в плазме крови матери, что поможет диагностировать некоторые генетические заболевания, и Хироши Маэда с Ясухиро Мацумурой, открывшие эффект повышенной проницаемости и удержания для макромолекулярных лекарств.