Химики из Университета Гронингена под руководством лауреата Нобелевской премии Бена Феринга разработали механизм передачи механического вращения от молекулярного мотора к ротору. В новом «устройстве»-молекуле под действием света запускается строго контролируемое вращение вокруг двух осей. На базе подобных структур возможно создание более сложных молекулярных машин, содержащих несколько синхронизированных подвижных элементов. Исследование опубликовано в журнале Science.

Молекулярные машины — объекты, состоящие всего из одной или нескольких молекул, способные к направленному и контролируемому движению. Например, они могут представлять собой моторы, вращающиеся строго в одну сторону или «насосы», поднимающие и опускающие «поршень». К молекулярным машинам относятся и некоторые механизмы в живых клетках: ионные каналы, «шагающие» кинезины, вращающиеся «жгутики» бактерий. Во многих случаях работа одних молекулярных машин в клетках связана с другими операциями: например, часть АТФ-синтазы вращается при движении протона через канал и это вращение запускает синтез АТФ. .[note]

Схема молекулярного мотора с двумя роторами. Peter Štacko et al. / Science, 2017

Химики научились синтезировать искусственные молекулярные машины лишь 20–30 лет назад. В 2016 году за серию работ по разработке и синтезу молекулярных машин были вручены Нобелевские премии — Бену Феринга, Фрейзеру Стоддарту и Жан-Пьеру Соважу («Машина из пробирки»). Однако в существующих машинах практически не было механизма передачи вращения от одного элемента к другому. Десять лет назад группе Феринга удалось синтезировать молекулу, напоминавшую собой стык между двумя «шестеренками» (точнее, трехлопастными роторами), но в ней вращение было неконтролируемым и хаотичным.

Схема вращения молекулярного мотора. Peter Štacko et al. / Science, 2017

В новой работе Феринга и его коллеги модифицировали один из первых молекулярных моторов. Авторы разработали и синтезировали вещество, молекулы которого обладают двумя роторами. Один из них вращается контролируемо, строго в одном направлении при облучении мягким ультрафиолетом. Второй ротор способен неконтролируемо вращаться вокруг своей оси, однако лопасть первого ротора и небольшой стопор (MeO на схеме) не позволяет второму сделать полный оборот. Когда первый ротор делает поворот на 180 градусов вокруг своей оси, его лопасть зацепляет лопасть второго ротора и вынуждает ее повернуться на 180 градусов. С новым фотоном действие повторяется. 

Схема вращения молекулярного мотора. Правая схема реализуется, если ротор с нафталиновым фрагментом (два склеенных шестиугольника) повернется вокруг своей оси вопреки стопору (MeO, метоксигруппа). Peter Štacko et al. / Science, 2017

Авторы отмечают, что разработка такого, казалось бы, простого механизма потребовала детальной проработки всех стадий поворота роторов. На каждой из четырех стадий поворота требуется строго определенное количество подводимой энергии (в виде фотонов или теплового движения молекул) — в противном случае работа молекулярного мотора будет хаотичной (слишком большое количество энергии позволит мотору вращаться и в «неправильных» направлениях тоже) или вовсе невозможной (при недостатке энергии вращения не будет). 

Ранее мы сообщали о синтезе других молекулярных машин. Так, китайским химикам удалось синтезировать молекулярные турникеты, вращающиеся строго в определенную сторону. Два года назад группа Стоддарта продемонстрировала «насос», способный перебрасывать вдоль своей цепочки кольца ротаксана, даже против градиента концентрации. Около полугода назад группа Беринга показала молекулярную машину, способную распутывать двойную спираль.

Автор: Владимир Королёв