Xимики из Унивeрситeтa Зигeнa (Гeрмaния) синтeзирoвaли нoвую мoлeкулярную мaшину — пeрeключaтeль, спoсoбный сущeствoвaть в пяти рaзныx устoйчивыx сoстoянияx. Устрoйствo кoнтрoлируeтся химическими реакциями. За словам авторов, разработка была вдохновлена ферментом АТФазой. Исследование опубликовано в Journal of Organic Chemistry.

Молекулярные аппаратура— молекулы или молекулярные комплексы, способные управляемо выполнять простейшие механические образ действий: вращаться или двигаться наподобие поршня в насосе. Трое химиков,— Бернард Феринга, ПьерСоваж, сэр Фрейзер Стоддарт — получили в 2016 году Нобелевскую премию точно по химии за их разработку и синтез. Как правило, общее направление машин управляется физическими стимулами, например, светом, теплом или электричеством. Всё-таки есть и достаточно широкий класс молекул, реагирующих нате химические воздействия,например, введение окислителей или восстановителей.

Структура молекулярного переключателя. Sudhakar Gaikwad et al. / JOC, 2016

Авторы новой работы предложили моляльный ротор, движения которого управляются с помощью химических реакций. Симпатия состоит из центрального узла (треугольной пирамиды), трех неподвижных опорных плеч, выходящих из нее и одного подвижного плеча — ротора. В конце одного из неподвижных плеч химики закрепили причуда порфирина с цинком. Структурно он похож на сочетание железа в гемоглобине, и так же, как и гемоглобин, способен присоединять к себя другие молекулы над плоскостью порфирирнового кольца (гемоглобин таково присоединяет кислород и углекислый газ).В стартовом состоянии молекулярного переключателя вихрь был совмещен с порфириновым плечом.

Схема работы переключателя. Sudhakar Gaikwad et al. / JOC, 2016

Нате концах двух других плеч находились специальные конструкции, похожие получи «клешни». Они были способны эффективно захватывать ионы меди. Похожая «клешня» была для плече-роторе. Цикл работы переключателя был устроен следующим образом. В основном состоянии вихрь связан с порфириновым плечом (состояние I). Добавление в раствор ионов меди приводит к захвату металла одним из обычных неподвижных плеч. «Клешня» при этом включает ион только с одной стороны — остается «вакантное» территория для «клешни» ротора. Ротор поворачивается к плечу с ионом меди (состояние II). По времени в раствор добавляют свободные (не закрепленные на плечах) «клешни» — они отсоединяют плечо-вихрь и занимают его место у неподвижного плеча. Ротор возвращается к порфириновому кольцу (состояние III). Там новая порция ионов меди переключает ротор к второму неподвижному плечу (состояние IV). Следующая порция «клешней»опять возвращает вихрь в стартовое положение (состояние V). Для возврата к состоянию I химики добавляли к раствору органическое вещество, будь здоров сильно связывающее ионы меди— оно отрывало их ото неподвижных плеч, после чего вся молекула возвращалась к исходному состоянию.

Спектры переключателя в разных состояниях. Sudhakar Gaikwad et al. / JOC, 2016

Все переходы посреди состояниями химики отслеживали по изменениям спектральных характеристик раствора переключателей, а на доказательства структуры в каждом состоянии были проведены исследования с через метода ядерного магнитного резонанса.

Схема работы Аденозинтрифосфат-синтазы. Wikimedia Commons

АТФ-синтаза, которой вдохновлялись авторы, отвечает следовать синтез АТФ — основного источника энергии для клеток. Сие комплекс из нескольких белков, состоящий из шести неподвижных субъединиц и одной заменяемый гамма-субъединицы. Последняя, вращаясь, изменяет конформацию неподвижных субъединиц, что же и катализирует присоединение остатков фосфорной кислоты каденозиндифосфату.

По образу отметил Нобелевский комитет при объявлении премии сообразно химии, сейчас молекулярные машины находится на том но уровне развития, что и электрические моторы в 1830-х годах. Ученые разрабатывают непохожие вращающиеся и движущиеся механизмы, не представляя себе, идеже их будут использовать десятки лет спустя. Среди возможных применений таких конструкций — переключатели в наноэлектронике, новые среды ради хранения информации и молекулярные моторы. 

Ранее мы сообщали о создании аппаратура-распутывальщика, имитирующей активность топоизомераз и хеликаз — ферментов, распутывающих двойную спираль ДНК.

Автор: Владимир Королёв