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

Награда трем ученым досталась за революционные открытия

В среду, 5 октября в Стокгольме представителями Королевской шведской академии наук было оглашено решение о присуждении Нобелевской премии по химии за 2016 год. Лауреатами стали трое ученых из разных стран: француз Жан-Пьер Соваж (Jean-Pierre Sauvage) из Страсбургского университета, уроженец Шотландии сэр Дж. Фрейзер Стоддарт (Sir J. Fraser Stoddart) из Северо-Западного университета (штат Иллинойс, США) и Бернард Л. Феринга (Bernard L. Feringa) из Гронингенского университета (Нидерданды).

Формулировка о награждении звучит так: «за проектирование и синтез молекулярных машин». Лауреаты этого года способствовали миниатюризации технологии, которая может иметь революционное значение. Соваж, Стоддарт и Феринга не только миниатюризировали машины, но и придали химии новое измерение.

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.

Интересно, что лауреаты-2016 не особо «светились» в различных списках фаворитов, которые каждый год появляются в преддверии «нобелевской недели».

Среди тех, кому в этом году масс-медиа прочили премию по химии, например, Джордж М. Черч и Фэн Чжан (оба работают в США) – за применение редактирования геномов CRISPR-cas9 в клетках человека и мышей.

Также в списках фаворитов фигурировал ученый из Гонконга Дэннис Ло (Дэннис Ло Юкмин) – за обнаружение бесклеточной внутриутробной ДНК в материкнской плазме, которое произвело революцию в неинвазивном пренатальном тестировании.

Назывались и имена японских ученых – Хироси Маеда и Ясухиро Мацамура (за открытие эффекта увеличенной проницаемости и задержания макромолекулярных лекарств, что является ключевой находкой для лечения раковых заболеваний).

В некоторых источниках можно было встретить имя химика Александра Спокойного, родившегося в Москве, но после переезда его семьи в Америку живущего и работающего в США. Его называют «восходящей звездой химии». К слову, единственным советским лауреатом Нобелевской премии по химии стал академик Николай Семенов в 1956 году – за разработку теории цепных реакций. Больше всего среди награжденных этой премией – ученые из США. На втором месте – немецкие ученые, на третьем – британские.

Премия по химии вполне может быть названа «самой Нобелевской из Нобелевских». Ведь человек, основавший эту награду, Альфред Нобель был именно химиком, а в Периодической системе химических элементов рядом с менделевием находится нобелий.

Решение о присуждении этой награды принимает Королевская Шведская академия наук. С 1901-го (тогда первым награжденным в области химии стал голландец Якоб Хендрик Вант-Гофф) по 2015 год Нобелевская премия по химии присуждалась 107 раз. В отличие от аналогичных наград в области физики или медицины ее чаще присваивали одному лауреату (в 63 случаях), а не нескольким сразу. При этом лишь четыре женщины становились лауреатами по химии – среди них Мари Кюри, имевшая также Нобелевскую премию по физике, и ее дочь Ирен Жолио-Кюри. Единственным человеком, получившим химического «Нобеля» дважды, стал Фредерик Сангер (1958 и 1980 гг.).

Самым же молодым награжденным оказался 35-летний Фредерик Жолио, получивший премию в 1935 году. А самым пожилым стал Джон Б. Фенн, которого Нобелевская награда «нагнала» в возрасте 85 лет.

В прошлом году нобелевскими лауреатами по химии стали Томас Линдал (Великобритания) и два ученых из США – Пол Модрич и Азиз Санчар (выходец из Турции). Награда была присуждена им за «механические исследования восстановления ДНК».

Лауреатами Нобелевской премии по химии стали Жан-Пьер Соваж, Бернард Феринга и Фрезер Стоддарт

Объявление лауреатов Нобелевской премии по химии

Москва. 5 октября. сайт - Нобелевскую премию по химии в 2016 году получили Жан-Пьер Соваж, Бернард Феринга и Фрезер Стоддарт с формулировкой "за проектирование и синтез молекулярных машин".

Соваж - французский химик, специализирующийся на супрамолекулярной химии. Это область химии, исследующая супрамолекулярные структуры - ансамбли, состоящие из двух и более молекул, удерживаемых вместе посредством межмолекулярных взаимодействий. Соваж стал первым химиком, синтезировавшим соединение из класса катенанов. Молекулы этих веществ состоят из двух колец, сцепленных друг с другом; такой вид связи называется топологическим, уточняет сайт N+1.

Иллюстрация растягивающейся и сжимающейся структуры молекулярной петли

Фрезер Стоддарт - шотландский ученый, работающий сейчас в США, - расширил список соединений с подобными "нехимическими" связями, синтезировав ротаксан. Молекулы ротаксанов состоят из длинной цепочки, на которую свободно надето кольцо. Благодаря двум крупным конструкциям на концах цепочки кольцо не может "свалиться" с нее.

Созданный Стоддартом молекулярный трансфер, способный под контролем перемещаться вдоль оси

Бернард Феринга - специалист в области молекулярной нанотехнологии и гомогенного катализа - стал первым химиком, разработавшим и синтезировавшим молекулярный мотор - молекулу, которая под действием света претерпевала структурные изменения и начинала вращаться подобно лопасти ветряка в строго заданном направлении. В 1999 году с помощью молекулярных моторов ученому удалось заставить вращаться стеклянный цилиндр в 10 тыс. раз превышавшим размер моторов.

Пример молекулярной машины с четырьмя "колесами"

В 2015 году лауреатами Нобелевской премии в той же категории стали стали швед Томас Линдаль, работающий в Великобритании, и проводящие исследования на территории США американец Пол Модрич и ученый турецкого происхождения Азиз Санкар. Награда была присуждена им за исследование механизмов репарации ДНК - особой функции клеток, заключающейся в способности исправлять химические повреждения и разрывы в молекулах ДНК, которые происходят при нормальном биосинтезе или в результате воздействия физических или химических агентов.

Нобелевскую премию в области химии в 2014 году американцы Эрик Бетциг и Уилльям Монер и немец Штефан Хелль за вклад в развитие флуоресцентной микроскопии сверхвысокого разрешения.

Ранее на этой неделе стали известны лауреаты Нобелевской премии по медицине (ее получил японский ученый Ёсинори Осуми ) и Нобелевской премии по физике (лауреатами стали Дэвид Таулес, Дункан Холдейн и Майкл Костерлитц за в топологических фазовых переходах и топологических фазах материи".

Единственным на сегодняшний день российским Нобелевским лауреатом по химии стал в 1956 году Николай Семенов (1896-1986) вместе с англичанином Сирилом Хиншелвудом за исследования механизма химических реакций.

Следующего обладателя Нобелевской премии - лауреата премии мира - объявят в пятницу 7 октября.

Лауреаты Нобелевской премии в 2016 года получат 8 млн шведских крон (около $931 тыс.). Церемония награждения лауреатов пройдет традиционно в Стокгольме 10 декабря, в день кончины основателя Нобелевских премий - шведского предпринимателя и изобретателя Альфреда Нобеля (1833-1896).

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

«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

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.