Машины и организмы — мы привыкли противопоставлять эти понятия. Возьмите, с одной стороны, станок или беспилотный автомобиль, а с другой — пушистую зверюшку, и вы не найдете в них ничего общего: четкие, отточенные, запрограммированные и бездумные действия машины совсем не похожи на то, что мы привыкли называть жизнью.
Тем удивительнее, что все организмы буквально напичканы различными молекулярными механизмами, созданными природой, — молекулами или группами молекул, которые умеют четко выполнять одни и те же действия, чтобы, например, синтезировать белки по последовательности РНК.
Что сделали лауреаты?
Они сделали искусственные молекулярные машины — молекулы, способные совершать предсказуемые механические действия под действием внешнего возбудителя: света, тепла или электрического тока.
Так, Жан Пьер Соваж научился синтезировать соединения, скрепленные между собой не только химическими связями — силами притяжения между атомами, но и механическими.
Например, в катенанах две большие циклические группы сцеплены между собой, как звенья в цепи. Для этого сначала брали одну циклическую группу вместе с заключенным внутри нее координирующим ионом и синтезировали в присутствии этого темплата другую циклическую группу, которая из-за притяжения к иону защелкивалась на первое кольцо. Потом ион удаляли, и в результате получалась изящная молекула из двух сцепленных колец.
Изображение: M stone / Wikimedia
Фрейзер Стоддарт действовал другим способом: он брал длинную линейную молекулу с выраженными электродонорными свойствами (таким молекулам хочется поделиться своими электронами с кем-то еще), на концах которой были большие объемные группы, отчего соединение походило на гантель. К этой молекуле он добавлял незамкнутое циклическое соединение с ярко выраженными электрофильными свойствами (этим молекулам, наоборот, очень хочется чужих электронов), которое сразу садилось на гостеприимную гантель со множеством лакомых электронов.
Потом цикл замыкали с помощью несложной химической реакции. В результате кольцо защелкивалось и уже не могло покинуть остов из-за объемных групп по краям молекулы, но зато могло перемещаться от одного края гантели до другого. При этом если внутри остова оставались химические группы с немного разными электродонорными свойствами, то перемещениями этого болтающегося кольца можно было управлять с помощью внешнего воздействия.
Но при чем здесь механизмы?
Катенаны и ротаксаны — это основа для сборки более сложных конструкций, своего рода молекулярные шестеренки или колеса. Так, группа Соважа объединила два ротаксана между собой в аналог искусственной мышцы, сжимающейся и разжимающейся вместе с перескоками тех самых циклов, блуждающих по остовам молекул.
Изображение: M stone / Wikimedia
Еще более осмысленный механизм в 1994 году сделала группа Стоддарта: из нескольких ротаксанов они собрали нанолифт, способный поднять платформу с маленьким грузиком на высоту в 0,7 нанометра, развивая силу в 200 пиконьютон. Для сравнения: сила земного притяжения, действующая на человека массой 70 кг, составляет 686 ньютон.
И наконец, группа третьего нобелевского лауреата Бернарда Феринги в 1999 году смастерила молекулярный мотор — молекулу, которая под действием ультрафиолетового излучения вращается в одном направлении. А в 2014 году они сконструировали наномашину с молекулярными моторами в качестве колес.
Сейчас почти всеми механизмами управляет электроника. Для молекулярных машин что-нибудь такое есть?
Молекулярные машины — пока аналоговая техника, но ученые уже пытаются сделать ее цифровой. Тот же Стоттард вместе с коллегами создал на базе ротаксанов транзистор, а потом и небольшой чип памяти с емкостью в 20 килобайт — информация в нем записывалась с помощью разных положений электрофильного цикла в «гнездах» электродонорного остова.
Зачем все это нужно?
Пока готовых практических решений в этой области нет, но перспективы колоссальные. Нанороботы на основе молекулярных механизмов могли бы вести суперэффективный синтез различных соединений (чем часто и занимаются природные молекулярные машины внутри живых клеток), утилизировать и разлагать отходы или, например, адресно доставлять лекарства и чинить тонкие поломки в клетках.
Источник: chrdk.ru
