Химики из Нидерландов под руководством нобелевского лауреата Бена Феринги разработали молекулярную машину, способную распутывать двойные спирали и перекручивать их в другом направлении. «Устройство» имитирует активность ферментов, способных распутывать ДНК при репликации, транскрипции и других процессах — хеликазы и топоизомеразы. Исследование опубликовано в журнале Nature Chemistry, кратко о нем сообщает Chemistry World.

Нобелевская премия по химии 2016 года была вручена Бену Феринге, Фрейзеру Стоддарту и Жан-Пьеру Соважу «за проектирование и синтез молекулярных машин». Речь идет о сложных молекулярных комплексах, способных выполнять определенные действия (например, вращаться) под действием внешних стимулов. Среди них системы в виде сцепленных друг с другом колец (катенаны), а также колец, надетых на стержни (ротаксаны), способных перемещаться под действием света, электричества или химических воздействий. 

Работы Бена Феринги связаны с синтезом молекул, способных под действием света вращать свои фрагменты друг относительно друга в строго заданном направлении. Закрепляя огромное число таких «моторов» на макроскопических частицах, химик приводил последних в движение, даже несмотря на то, что они были в тысячи раз больше моторов. Подробнее о молекулярных машинах можно прочитать в нашем материале.

Схема работы молекулярного ротора-«распутывальщика». Depeng Zhao et al. / Nature Chemistry, 2016

Новое исследование Феринги посвящено молекулярной машине, способной изменять направление закручивания спиральных комплексов под действием света. Эти структуры напоминают собой двойную спираль молекулы ДНК и состоят из пары (или более) молекул-нитей, закрученных по спирали около одного или нескольких ионов металлов. Примером такого комплекса может послужить узел-пентаграмма, о котором мы писали ранее.

Машина была устроена и работала следующим следующим образом. «Ротор» состоял из двух «лопастей» (бициклических систем), соединенных между собой двойной связью. Под действием ультрафиолетового излучения он мог совершать почти полный оборот в определенном направлении. Вернуться в исходное состояние ему мешали боковые заместители-«стопоры». Однако под действием дополнительного нагрева молекула могла завершить оборот, заставив «стопоры» проскользнуть друг относительно друга.

Синтез и строение молекулярной машины. Depeng Zhao et al. / Nature Chemistry, 2016

К каждой «лопасти» были присоединены молекулы-«нити», обладавшие ограниченной гибкостью. В исходном состоянии обе «нити» находились рядом (лопасти были сонаправлены) и формировали с атомами меди в растворе спиральные комплексы, закрученные влево. Под действием света «ротор» совершал пол-оборота и распутывал спираль. После этого «нити» оказывались направлены в противоположные стороны. 

В таком состоянии на образование спиральных комплексов требовалось две машины: по одной «нити» от каждой. В результате образовывались полимерные структуры, закрученные вправо. На следующем этапе, поглотив очередной квант света, «ротор» делал дополнительный оборот. «Нити» снова оказывались направлены в одну сторону, и формировали закрученные вправо комплексы. Под действием тепла «ротор» снова расплетал спираль и скручивал ее уже влево, возвращаясь в исходное состояние. Все эти превращения химики фиксировали с помощью методов ядерного магнитного резонанса. 

По мнению Бена Феринги, молекулярная машина может стать основой для нового типа катализаторов с переключаемой активностью.

Ранее мы сообщали о других примерах молекулярных машин: молекулы-«насосы», способные переносить кольцевые структуры против градиента концентрации, молекулы-«хулахупы», способные ориентировать другие молекулы и самокопироваться и молекулы-«пропеллеры», способные крутить обруч.

Автор: Владимир Королёв