Нобелевскую премию по химии дали за синтез молекулярных машин. Что это такое? Объясняет кандидат химических наук Иван Сорокин

5 октября Нобелевский комитет объявил лауреатов премии по химии. Ее получат ученые Жан-Пьер Соваж, сэр Фрэзер Стоддарт и Бернард Феринга — за проектирование и синтез молекулярных машин. Кандидат химических наук, доцент химического факультета МГУ Иван Сорокин объяснил «Медузе», почему исследования молекулярных машин по степени важности сравнивают с открытием электрического двигателя.

— Что такое молекулярные машины?

— В природе молекулярные машины встречаются сами по себе. Например, в наших клетках содержится какое-то количество двигательных белков, один из них — миозин — отвечает за сокращение мышц. Он как бы скользит по другому белку, актину, меняя форму и взаимное расположение частей молекулы за счет получаемой извне энергии, то отсоединяясь, то присоединяясь обратно. В совокупности множество таких актов, совершаемых большим числом молекул миозина, двигает всю мышцу — то есть совершает макроскопическую работу. Это отличный пример активно работающей молекулярной машины, в этом и заключается принцип их работы. То есть идея не нова, можно даже сказать, что ученые подсмотрели ее у природы. 

Но Нобелевскую премию им дали не за открытие природных молекулярных машин, а за синтез новых частиц, которые не встречаются в природе. Эти группы ученых работали по отдельности и открыли довольно разные вещи, но их открытия объединены понятием «супрамолекулы» (то есть, если переводить буквально, «надмолекулы»). Это такая структура, которая не только сохраняет в себе свойства исходных молекул, из которых она «составлена», но и приобретает новые.

Группа Жан-Пьера Соважа открыла катенаны: надмолекулярную структуру в виде двух сочлененных колец, напоминающих звенья цепи. Эти кольца синтезированы таким образом, что они могут вращаться друг относительно друга. Сэр Фрэзер Стоддарт и его соавторы синтезировали ротаксаны: эти частицы имеют форму гантели — то есть речь про молекулу с узкой центральной частью и с широкими частями по бокам, на которую надета другая молекула в форме кольца. Группе Бернарда Феринги принадлежит открытие первого молекулярного ротора — эту структуру тоже можно заставить вращаться, причем только в одну сторону. То есть ученым удалось синтезировать аналог встречающихся в природе химических сущностей, и при этом не просто молекулярных, а супра- или наномолекулярных.

— На сайте Нобелевского комитета молекулярные машины по степени важности сравнивают с электрическими. Так и есть? Чем так важны достижения новых лауреатов?

— Электрический двигатель начали применять практически сразу после его создания — в течение 10–15 лет. Первые открытия, связанные с молекулярными машинами, были сделаны в 80-е годы, но сказать, что их стали использовать в промышленных масштабах, нельзя. При этом в перспективе способов использования молекулярных машин множество: это новые способы хранения данных, новые функциональные материалы, доставка лекарств на наноуровне — и так далее. С помощью молекулярных машин можно даже собирать наночастицы из отдельных атомов и молекул. К сожалению, пока это не применяется, химические реакции такого уровня пока не проводятся в большом объеме ни в случае лабораторного синтеза, ни тем более в промышленном масштабе. Но это очень перспективное направление для сборки наноматериалов, просто оно еще требует развития и на теоретическом, и на экспериментальном уровне. 

— Молекулярные машины сравнивают не только с электрическими машинами, но и обычными механизмами. Почему?

— Когда над этими «надмолекулами» совершают химическое или фотохимическое воздействие, они начинают совершать внутренние повороты: то есть части молекулы начинают смещаться относительно друг друга — это движение и имитирует на молекулярном уровне движение классических механизмов. 

Самое интересное здесь, что молекула может двигаться в пространстве не в результате броуновского движения, хаотически, а направленно, подобно молекулам в мощной струе воды (пусть даже здесь в первую очередь речь о вращении, а не о поступательном движении). То есть в ответ на какое-то воздействие часть молекулы начинает определенным, а не случайным образом вращаться, выполнять определенную работу, что и сближает их с механизмами.

— Каким образом эти молекулярные машины можно изучать? Они ведь, наверное, очень маленькие?

— Их размер меньше длины волны видимого света, и по всем законам рассмотреть их в оптический микроскоп уже невозможно. Но ученые уже много веков имеют дело с молекулами, которые невозможно рассмотреть в микроскоп. Вот, например, кислород тоже нельзя там увидеть, но ведь никто не сомневается в том, что он есть. Есть множество приборных способов изучения, а еще можно вводить молекулярные машины в реакции и смотреть, что с ними происходит. За XX век в органической химии появились десятки методов, которые позволяют определить структуру: ядерный магнитный резонанс, масс-спектрометрия, электронная микроскопия и множество видов спектроскопии.