Нобелевскую премию по химии в 2016 году вручили Жан-Пьеру Соважу, Бернарду Феринге и Джеймсу Фрейзеру Стоддарту «за синтез молекулярных машин». Мы попросили прокомментировать это событие молекулярного биолога Константина Северинова.

Что такое машина? Это способ преобразования того или иного вида энергии в работу или одного вида энергии в другой. Людей машины окружают повсюду, но в живой клетке машин, к которым мы привыкли, нет. Зато есть специальные молекулярные биологические машины, которые совсем непохожи на человеческие. В клетке нет цепей, колеса не встречаются, роторы относительно редки. Но это не означает, что нельзя пытаться их сделать.

В своих работах химики-лауреаты пытались сделать компоненты машин, подобных человеческим (таких, которые мы видим вокруг нас), но состоящих из отдельных молекул. Есть понятие «механическая связь» — это та самая связь, которую можно наблюдать в цепи велосипеда. В ней есть отдельные элементы, которые между собой гибко соединены, и если потянуть за один, то он потянет за собой все остальное. Можно попытаться сделать то же самое с молекулами.

Но для этого надо научиться зацеплять молекулы в цепочки. Кольцевые молекулы, сцепленные друг с другом топологически, называются катенаны. Расцепить их нельзя без разрыва колец. Кольца Гименея — это пример катенанов. Один из лауреатов Нобелевской премии, Жан-Пьер Соваж, смог сделать такие механические связи, то есть не химические связи одного атома с другим, а топологические связи, когда органические молекулы оказались катенированы. Сделал он это с помощью химического синтеза. Научившись делать такие колечки, можно сделать их компонентом какой-нибудь машины. Например, зацепив одно кольцо за другое и с помощью химических или физических воздействий растягивая или стягивая эти кольца, можно получить молекулярную пружинку. Кстати, в клетках катенированные молекулы кольцевых ДНК встречаются часто, но на них никто не смотрел с такой точки зрения.

Можно сделать что-то более сложное. Второй лауреат, Фрезер Стоддарт, сделал подобие молекулярного лифта, машину, основной элемент которой выполнен следующим образом: представьте, что у вас есть длинная молекула, которая похожа на рельсы, а начало и конец рельсов блокированы, потому что там находится какая-то крупная химическая группа. Фактически получается молекулярная «гантель». Второй лауреат смог опять же с помощью методов химического синтеза посадить на линейную часть «гантели» кольцевую молекулу, колечко, внутренний диаметр которого был меньше, чем диаметр шариков, которые находятся на концах «гантели». Таким образом, снять такое кольцо невозможно. С помощью таких молекул можно делать всякие штуки. Например, если шарики на концах «гантели» обладают разными свойствами, например зарядами, то можно ориентировать, закреплять их на какой-то поверхности, а затем заставлять колечко, если оно тоже заряжено, двигаться в электрическом поле. На колечко можно закрепить какой-нибудь грузик (тоже молекулу), и такие грузы будут двигаться так, как захочет экспериментатор, в пределах линейной части «гантели». На основе такой и подобных конструкций можно сделать много интересных молекулярных девайсов, из которых можно собирать более сложные конструкции.

Последний, Феринга, самый молодой из лауреатов, сделал подобие молекулярного ротора. Для этого нужно было организовать направленное движение, фактически движение по кругу. Части молекулы должны крутиться относительно других частей и, прокрутившись и сделав полный поворот, приходить в исходное состояние. Феринга сделал замечательную ароматическую структуру, состоящую из многих циклов, содержащих так называемые двойные связи между определенными атомами. Такие двойные связи жесткие, вокруг них невозможно вращение. Но двойные связи, которые он использовал, очень хитрые. Под влиянием некоторых воздействий, например света определенной длины волны, они становятся одинарными, и тогда вокруг них возможно вращение. Он создал химически и геометрически очень сложные молекулы, состоящие из атомов, соединенных специально расположенными двойными связями, которые отвечают на свет. И если такую молекулу периодически освещать, то в ней в определенном порядке будут происходить переходы из двойных связей в одиночные, и при этом одна часть молекулы будет двигаться по кругу относительно центральной неподвижной части. То есть он сделал ротор для будущих моторов и экспериментально доказал, что такие молекулы могут при введении к ним энергии в виде света крутить грузы. Мы можем крутить колесо велосипеда ногами, турбину может крутить вода, а энергия света может крутить молекулу Феринга, которая при этом, в свою очередь, совершает работу и крутит что-то еще.

Никто никогда не умел завязывать молекулы в узлы или катенаны. Работы лауреатов положили начало такой деятельности. Если вы можете завязывать молекулы в узелки, колечки и прочее, это означает, что вы обретаете над ними контроль. Вещества, созданные из таких молекул, могут обладать совершенно новыми, интересными и полезными свойствами.