VŠETKY FOTKY

Nobelovu cenu za chémiu za rok 2016 získali traja vedci za dizajn a syntézu molekulárnych strojov. Ocenenie získali výskumník z Holandska Bernard Feringa, Brit pracujúci v Spojených štátoch James Fraser Stoddart a Francúz Jean-Pierre Sauvage, uvádza sa v tlačovej správe Nobelovho výboru.

Vedcom sa podarilo vyvinúť najmenšie stroje na svete. Výskumníkom sa podarilo spojiť molekuly dohromady a vytvoriť tak malé výťahy, umelé svaly a mikroskopické motory. „Nositelia Nobelovej ceny za chémiu za rok 2016 miniaturizovali stroje a posunuli chémiu do novej dimenzie,“ píše sa na webovej stránke výboru. Tlačová správa uvádza, že s rozvojom výpočtovej techniky môže miniaturizácia technológie viesť k revolúcii.

Tím vedcov vyvinul molekuly s kontrolovanými pohybmi, ktoré môžu vykonávať úlohy, keď sa pridá energia. Sauvage urobil prvý krok k vytvoreniu molekulárnych strojov v roku 1983 a vytvoril reťazec dvoch molekúl v tvare kruhu nazývaných katenán. Aby stroj mohol vykonávať úlohu, musí byť vyrobený z častí, ktoré sa môžu navzájom pohybovať. Dva prstene spojené Sauvage presne túto požiadavku spĺňali.

Stoddart urobil druhý krok v roku 1991, syntetizoval rotaxán, zlúčeninu, v ktorej je krúžok pripojený k molekule v tvare činky. Medzi jeho vývoj patrí molekulárny výťah, molekulárny sval a počítačový čip vytvorený na báze molekúl.

Nakoniec Feringa v roku 1999 demonštroval fungovanie molekulárnych motorov.

Očakáva sa, že v budúcnosti sa budú molekulárne stroje používať na vytváranie nových materiálov, senzorov a systémov na ukladanie energie.

Stoddart sa narodil v roku 1942 v Edinburghu. Vedec sa špecializuje na oblasť supramolekulárnej chémie a nanotechnológie a pôsobí na Northwestern University v americkom štáte Illinois. Sauvage sa narodil v Paríži v roku 1944, venuje sa vedeckej činnosti na Univerzite v Štrasburgu, jeho špecializáciou sú koordinačné prepojenia. Feringa, narodený v roku 1951 v Barger-Compaskum v Holandsku, je profesorom organickej chémie na holandskej univerzite v Groningene.

Nobelova cena má hodnotu 8 miliónov švédskych korún. Cena za chémiu sa udeľuje od roku 1901 (okrem rokov 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 a 1942). Tento rok sa cena udeľovala už po 108. raz.

V roku 2015 bola Nobelova cena za chémiu udelená Švédovi Thomasovi Lindahlovi, americkému občanovi Paulovi Modricovi a turecko-Američanovi Azizovi Sancarovi za výskum mechanizmov opravy DNA. Práca vedcov dala svetu zásadné poznatky o funkciách živých buniek a najmä o ich využití v nových metódach boja proti rakovine, informoval Nobelov výbor. Odhaduje sa, že asi 80-90% všetkých druhov rakoviny je spôsobených nedostatočnou opravou DNA.

Podľa pravidiel možno Nobelovu cenu za fyziku a chémiu udeliť len autorom prác publikovaných v recenzovanej tlači. Okrem toho musí byť objav skutočne významný a svetovou vedeckou komunitou všeobecne uznávaný, a preto cenu dostávajú experimentalisti častejšie ako teoretici.

Deň predtým sa v Štokholme udeľovala Nobelova cena za fyziku. Ocenenie získali traja britskí vedci pracujúci v Spojených štátoch. Brit Duncan Haldane a škótski Američania David Thouless a Michael Kosterlitz dostali cenu za „teoretické objavy topologických fázových prechodov a topologických fáz hmoty“. Vedci skúmali nezvyčajné stavy hmoty. Hovoríme o supravodičoch, supratekutinách a tenkých magnetických filmoch.

Nobelovu cenu za fyziológiu a medicínu za rok 2016 získal 71-ročný japonský vedec Jošinori Ohsumi 3. októbra. Bol ocenený za objavy v oblasti autofágie (z gréckeho „samojesť“) – proces, pri ktorom sú vnútorné zložky bunky dodávané do jej lyzozómov (u cicavcov) alebo vakuol (v kvasinkových bunkách) a sú tam podlieha degradácii.

Každoročné vyhlasovanie laureátov sa konalo v Štokholme Nobelova cena za chémiu.

Dňa 5. októbra 2016 boli oznámené mená laureátov Nobelovej ceny za chémiu za rok 2016. Stali sa z nich Francúzi Jean-Pierre Souvage(Jean-Pierre Sauvage), Američan škótskeho pôvodu James Fraser Stoddart(Fraser Stoddart) a Holanďan Bernard Feringa(Bernard Feringa).

Znenie ceny: „ Pre návrh a syntézu molekulárnych strojov«.

Molekulárne stroje sú zariadenia, ktoré manipulujú s jednotlivými atómami a molekulami. Dokážu ich preniesť z jedného miesta na druhé, priblížiť tak, aby medzi nimi vznikla chemická väzba, alebo odtiahnuť, aby sa chemická väzba pretrhla. Veľkosť molekulárneho stroja nemôže byť príliš veľká. Zvyčajne je to rádovo niekoľko nanometrov.

Medzi nádejnými oblasti použitia Takéto stroje sa využívajú na molekulárnu chirurgiu, cielené dodávanie liekov (napríklad hlboko do rakovinového nádoru, kam klasické lieky takmer nepreniknú), korekciu narušených biochemických funkcií organizmu.

Ako sa uvádza v tlačovej správe Kráľovskej švédskej akadémie vied, prvým krokom k molekulárnemu stroju, Prof. Jean-Pierre Sauvage urobil v roku 1983, keď úspešne spojil dve molekuly v tvare kruhu, aby vytvorili reťazec známy ako katenán. Molekuly sú normálne držané pohromade silnými kovalentnými väzbami, v ktorých atómy zdieľajú elektróny, ale v tomto reťazci sú spojené voľnejšou mechanickou väzbou. Aby stroj mohol vykonávať úlohu, musí pozostávať z častí, ktoré sa môžu navzájom pohybovať. Dva spojené krúžky túto požiadavku plne spĺňajú.

Urobil sa druhý krok Fraser Stoddart v roku 1991, keď vyvinul rotaxán (typ molekulárnej štruktúry). Navliekol molekulárny krúžok do tenkej molekulárnej osi a ukázal, že tento krúžok sa môže pohybovať pozdĺž osi. Rotaxány sú základom pre taký vývoj, ako je molekulárny výťah, molekulárny sval a počítačový čip založený na molekule.

A Bernard Feringa bol prvým človekom, ktorý vyvinul molekulárny motor. V roku 1999 získal molekulárny rotorový list, ktorý sa neustále otáča jedným smerom. Pomocou molekulárnych motorov roztočil sklenený valec, ktorý bol 10-tisíckrát väčší ako motor, a vedec vyvinul aj nanoauto.

Laureáti za rok 2016 si medzi sebou rozdelia rovným dielom peňažnú časť ceny vo výške 8 miliónov švédskych korún (približne 933,6 tisíc dolárov).

Prvá Nobelova cena za chémiu dostal v roku 1901 Jacob Hendrik van't Hoff ako uznanie obrovského významu objavu zákonov chemickej dynamiky a osmotického tlaku v roztokoch. Odvtedy do roku 2015 sa jej laureátmi stalo 172 ľudí, z toho 4 ženy.
Najčastejšie sa Nobelova cena za chémiu udeľovala za prácu v odbore biochémia(50-krát), organická chémia(43-krát) a fyzikálna chémia(38-krát).
2015 Nobelova cena za chémiu prijal Švéda Thomas Lindahl, Američan Paul Modrich a turecký rodák Aziz Sancar „za mechanické štúdie opravy DNA“, ukazujúce na molekulárnej úrovni, ako bunky opravujú poškodenú DNA a uchovávajú genetickú informáciu.

Dnes boli vyhlásení laureáti Nobelovej ceny za chémiu za rok 2016. „Za návrh a syntézu molekulárnych strojov“ dostanú traja chemici spolu 58 miliónov rubľov – Jean-Pierre Sauvage (Francúzsko), Sir Fraser Stoddart (USA) a Bernard Feringa (Holandsko). Život hovorí o tom, čo sú molekulárne stroje a prečo si ich tvorba zaslúži také prestížne vedecké ocenenie.

Čo je stroj v najvšeobecnejšom chápaní tohto pojmu? Ide o zariadenie prispôsobené na určité operácie, ktoré je schopné vykonávať ich „výmenou“ za palivo. Stroj môže otáčať, zdvíhať alebo spúšťať akýkoľvek predmet a môže dokonca fungovať ako čerpadlo.

Aký malý však môže byť taký stroj? Napríklad niektoré časti mechanizmov hodiniek vyzerajú veľmi maličké – môže byť niečo menšie? Rozhodne áno. Fyzikálne metódy umožňujú rezať ozubené koleso s priemerom niekoľkých stoviek atómov. To je státisíckrát menšie ako jeden milimeter známy zo školských pravítok. V roku 1984 sa laureát Nobelovej ceny Richard Feynman opýtal fyzikov, aký malý môže byť mechanizmus s pohyblivými časťami.

Feynman sa inšpiroval príkladmi z prírody: bičíky baktérií, ktoré umožňujú pohyb týchto drobných organizmov, rotujú vďaka komplexu, ktorý pozostáva z niekoľkých proteínových molekúl. Môže však človek niečo také vytvoriť?

Molekulárne stroje, možno pozostávajúce len z jednej molekuly, vyzerajú ako niečo zo sci-fi. V skutočnosti sme sa len nedávno naučili manipulovať s atómami (slávny experiment IBM sa uskutočnil v roku 1989) a pracovať s jednotlivými stacionárnymi molekulami. Na tento účel fyzici vytvárajú obrovské inštalácie a vynakladajú neuveriteľné úsilie. Napriek tomu chemici našli spôsob, ako vytvoriť kvintilióny takýchto zariadení naraz. Práve on sa stal predmetom Nobelovej ceny za rok 2016.

Hlavným problémom pri vytváraní stroja pozostávajúceho z jednej molekuly je chemická väzba. Je to to, čo spája všetky atómy molekuly dohromady, čo zabraňuje tomu, aby mala pohyblivé časti. Aby sa tento rozpor vyriešil, chemici „vynašli“ nový typ väzby - mechanickú.

Ako vyzerajú mechanicky viazané molekuly? Predstavme si veľkú molekulu, ktorej atómy sú usporiadané do kruhu. Ak ním prevlečieme ďalší reťazec atómov a tiež ho uzavrieme do kruhu, dostaneme časticu, ktorú nemožno rozdeliť na dva kruhy bez porušenia chemických väzieb. Ukazuje sa, že z chemického hľadiska sú tieto krúžky spojené, ale neexistuje medzi nimi skutočné chemické spojenie. Mimochodom, táto konštrukcia sa nazývala catenan, z latinčiny catena- reťaz. Názov odráža skutočnosť, že takéto molekuly sú ako články v reťazci, ktoré sú navzájom spojené.

Laureát z Francúzska Jean-Pierre Sauvage získal cenu najmä za prelomovú prácu v oblasti metód syntézy katenánov. V roku 1983 jeden vedec prišiel na to, ako by sa takéto molekuly dali cielene vyrábať. Nebol prvý, kto syntetizoval katenan, ale metóda syntézy šablón, ktorú navrhol, sa stále používa v moderných dielach.

Existuje ďalšia trieda mechanicky príbuzných zlúčenín nazývaných rotaxány. Molekuly takýchto zlúčenín pozostávajú z kruhu, cez ktorý je prevlečený reťazec atómov. Na konce tejto reťaze chemici umiestňujú špeciálne „zátky“, ktoré bránia skĺznutiu krúžku z reťaze. Zvládol ich ďalší tohtoročný laureát Nobelovej ceny Sir James Fraser Stoddart. Mimochodom, Škótsky narodený Stoddart je držiteľom titulu rytiersky bakalár. Za prácu na organickej syntéze ho pasovala za rytiera samotná kráľovná Alžbeta II. Stoddart však teraz pôsobí v USA na Northwestern University.

V týchto triedach zlúčenín sa jednotlivé fragmenty môžu navzájom voľne pohybovať. Krúžky katenánov sa môžu navzájom voľne otáčať a krúžok na rotaxáne sa môže posúvať pozdĺž reťaze. To z nich robí dobrých kandidátov na molekulárne stroje, o ktoré sa Feynman začal zaujímať. Aby sa však tieto štruktúry tak mohli nazývať, je potrebné od nich dosiahnuť ešte jednu vec – ovládateľnosť.

Najmä na to chemici použili základné myšlienky elektrostatiky: ak urobíte jeden z krúžkov nabitý a na druhý krúžok (alebo reťaz) umiestnite fragmenty, ktoré môžu zmeniť svoj náboj pod vplyvom vonkajších vplyvov, potom môžete urobiť krúžok odraziť z jednej oblasti prsteňa (alebo reťaze) a presunúť sa do inej. V prvých experimentoch sa vedci naučili prinútiť molekulárne stroje vykonávať takéto operácie pomocou chemických vplyvov. Ďalším krokom bolo použitie svetla, elektrických impulzov a dokonca aj tepla na rovnaké účely - tieto spôsoby prenosu „paliva“ umožnili urýchliť prevádzku strojov.

Osobitnú zmienku si zaslúži práca tretieho laureáta Bernarda Feringu. Holandský chemik sa zaobišiel bez mechanicky viazaných molekúl. Namiesto toho vedec našiel spôsob, ako prinútiť molekuly zlúčeniny obsahujúcej tradičné chemické väzby rotovať. V roku 1999 Feringa demonštroval molekulu, ktorá vyzerala ako dve navzájom spojené čepele. Každá z týchto čepelí sa snažila od seba odtlačiť a pre ich asymetrický tvar bolo výhodné otáčať sa iba jedným smerom, ako keby medzi týmito čepeľami bola na „osi“ rohatka.

Aby molekula fungovala ako rotor, stačilo na ňu jednoducho zasvietiť ultrafialovým svetlom. Čepele sa začali voči sebe otáčať v presne špecifikovanom smere. Neskôr chemici dokonca takéto molekuly rotora pripevnili na obrovskú (v porovnaní so samotným rotorom) časticu a tým ju nechali rotovať. Mimochodom, rýchlosť otáčania voľného rotora môže dosiahnuť desiatky miliónov otáčok za sekundu.

S týmito tromi jednoduchými molekulami boli chemici schopní vytvoriť širokú škálu molekulárnych strojov. Jedným z najkrajších príkladov je molekulárny „sval“, čo je zvláštny hybrid katenánu a rotaxánu. Pri vystavení chemikáliám (pridaním solí medi) sa „sval“ stiahne o dva nanometre.

Ďalším variantom molekulárneho stroja je „výťah“ alebo výťah. Bol predstavený v roku 2004 Stoddartovou skupinou založenou na rotaxánoch. Zariadenie umožňuje zdvihnúť a spustiť molekulárnu podložku o 0,7 nanometra, čím sa vytvorí „postrehnuteľná“ sila 10 pikopascalov.

V roku 2011 Feringa ukázal koncept štvorrotorového molekulárneho „stroja“ schopného jazdiť pod vplyvom elektrických impulzov. „Nanostroj“ bol nielen skonštruovaný, ale bola potvrdená aj jeho funkčnosť: každá otáčka rotorov v skutočnosti mierne zmenila polohu molekuly v priestore.

Hoci tieto zariadenia vyzerajú zaujímavo, je potrebné pripomenúť, že jednou z požiadaviek Nobelovej ceny na laureátov bol význam objavov pre vedu a ľudstvo. Čiastočne na otázku "prečo je to potrebné?" odpovedal Bernard Feringa, keď bol informovaný o ocenení. Podľa chemika s takto riadenými molekulárnymi strojmi je možné vytvárať lekárske nanoroboty. "Predstavte si malých robotov, ktorých by vám lekári budúcnosti mohli vložiť do žíl a nasmerovať ich, aby hľadali rakovinové bunky." Vedec poznamenal, že sa cítil rovnako, ako sa pravdepodobne cítili bratia Wrightovci po svojom prvom lete, keď sa ich ľudia pýtali, prečo sú lietajúce autá vôbec potrebné.

Laureátmi Nobelovej ceny za chémiu za rok 2016 sa stali Jean-Pierre Sauvage z University of Strasbourg (Francúzsko), Fraser Stoddart z Northwestern University (USA) a Bernard Feringa z University of Groningen (Holandsko). Prestížna cena bola udelená „za dizajn a syntézu molekulárnych strojov“ - jednotlivých molekúl alebo molekulárnych komplexov, ktoré môžu vykonávať určité pohyby, keď sú zásobované energiou zvonku. Ďalší rozvoj tejto oblasti sľubuje prelomy v mnohých oblastiach vedy a medicíny.

Nobelov výbor pravidelne oceňuje diela, ktoré majú okrem vedeckej hodnoty aj nejakú ďalšiu chuť. Napríklad pri objave grafénu Geimom a Novoselovom (pozri Nobelovu cenu za fyziku - 2010, „Elements“, 11.10.2010), okrem samotného objavu a jeho využitia na pozorovanie kvantového Hallovho javu pri izbovej teplote , boli pozoruhodné technické detaily: odlupovanie vrstiev grafitu jednoduchou páskou. Shekhtman, ktorý objavil kvázikryštály, mal za sebou históriu vedeckej konfrontácie s iným uznávaným nositeľom Nobelovej ceny - Paulingom, ktorý uviedol, že „neexistujú žiadne kvázikryštály, ale existujú kvázi-vedci“.

V oblasti molekulárnych strojov na prvý pohľad taký vrchol neexistuje, až na to, že jeden z laureátov, Stoddart, má rytiersky titul (nie je prvý). Ale v skutočnosti je tu stále dôležitá vlastnosť. Syntéza molekulárnych strojov je takmer jedinou oblasťou v akademickej organickej chémii, ktorú možno nazvať čistým inžinierstvom na molekulárnej úrovni, kde ľudia navrhujú molekulu od nuly a neodpočívajú, kým ju nedostanú. V prírode takéto molekuly samozrejme existujú (takto sú štruktúrované niektoré proteíny organických buniek – myozín, kinezíny – alebo napríklad ribozómy), no ľudia ešte zďaleka nedosahujú takú úroveň zložitosti. Preto sú zatiaľ molekulárne stroje ovocím ľudskej mysle od začiatku do konca, bez pokusov napodobňovať prírodu alebo vysvetľovať pozorované prírodné javy.

Hovoríme teda o molekulách, v ktorých sa jedna časť môže voči druhej pohybovať kontrolovaným spôsobom – zvyčajne využíva na pohyb nejaké vonkajšie vplyvy a teplo. Na vytvorenie takýchto molekúl prišli Sauvage, Stoddard a Feringa s rôznymi princípmi.

Sauvage a Stoddard vyrobili mechanicky pospájané molekuly: katenány – dva alebo viac navzájom spojených molekulárnych kruhov, ktoré sa navzájom otáčajú (obr. 1), a rotaxány – zložené molekuly z dvoch častí, v ktorých sa jedna časť (prstenec) môže pohybovať pozdĺž druhej (priamo). základňa ), ktorá má po okrajoch objemové skupiny (zátky), aby krúžok „neodlietaval“ (obr. 2).

Pomocou vyššie uvedeného konceptu boli vytvorené "molekulárne výťahy", "molekulárne svaly", rôzne molekulárne topologické štruktúry teoretického záujmu a dokonca aj umelý ribozóm schopný veľmi pomaly syntetizovať krátke proteíny.

Feringhiho prístup bol zásadne odlišný a veľmi elegantný (obr. 3). Vo Feringhiho molekulárnom motore sú časti molekuly rotujúce voči sebe navzájom spojené nie mechanicky, ale skutočnou kovalentnou väzbou - dvojitou väzbou uhlík-uhlík. Rotácia skupín okolo dvojitej väzby je nemožná bez vonkajšieho vplyvu. Takýmto efektom môže byť ožiarenie ultrafialovým svetlom: obrazne povedané, ultrafialové svetlo selektívne rozbije jednu väzbu na dvojitú, čo umožní rotáciu na zlomok sekundy. Vo všetkých polohách je Feringhiho molekula štrukturálne napnutá a dvojitá väzba je predĺžená. Pri otáčaní molekula sleduje najmenší odpor a snaží sa nájsť polohu s najmenším napätím. Nedarí sa jej to, ale v každej fáze sa otáča takmer výlučne jedným smerom.

Podobný motor s menšími úpravami, ako sa ukázal v roku 2014, je schopný dosiahnuť približne 12 miliónov otáčok za sekundu (J. Vachon et al., 2014. Ultrarýchly povrchovo viazaný fotoaktívny molekulárny motor). Najkrajšie využitie Feringhiho motora bolo demonštrované v „nanostroji“ na zlatom substráte (obr. 4). Štyri motory, pripevnené ako kolesá k dlhej molekule, sa otáčajú jedným smerom a „auto“ sa pohybuje dopredu.

V súčasnosti prebieha vývoj molekulárneho motora, ktorý môže byť aktivovaný viditeľným svetlom namiesto UV. Pomocou takéhoto motora bude možné úplne bezprecedentným spôsobom premeniť slnečnú energiu na mechanickú energiu – obísť elektrickú energiu.

Vo svojej najnovšej práci publikovanej v časopise Journal of the American Chemical Society ( JACS), Feringa ukázal dizajn motora, ktorého rýchlosť otáčania by mohla byť riadená chemickým pôsobením, ako je znázornené na obr. 5. Keď sa do molekulárneho motora pridá efektorová molekula (chlorid kovu - zinok Zn, paládium Pd alebo platina Pt), ten zmení konformáciu, čo uľahčuje rotáciu. Merania ukázali, že pri 20 °C z troch testovaných efektorov sa motor otáča najrýchlejšie s platinou (s frekvenciou 0,13 Hz), o niečo pomalšie s paládiom (0,035 Hz) a ešte pomalšie so zinkom (0,009 Hz). Maximálna rýchlosť motora bez efektora je 0,0041 Hz. Pozorovaný jav bol potvrdený kvantovomechanickými výpočtami motorických štruktúr s efektormi a bez nich. Výpočty ukazujú, ako sa mení konformácia a o čo jednoduchšia je rotácia.

Na záver sa hodí povedať, že molekulárne motory zatiaľ nenašli uplatnenie v každodennom živote, no je to takmer určite otázka času a v blízkej budúcnosti sa dočkáme ich aktívneho využitia.

Zdroje:
1) Nobelova cena za chémiu 2016 - oficiálne posolstvo Nobelovho výboru.
2) Molekulárne stroje – podrobný prehľad prác laureátov, vypracovaný Nobelovou komisiou.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa a Sander J. Wezenberg. Alosterická regulácia rýchlosti otáčania v svetlom poháňanom molekulárnom motore // Journal of the American Chemical Society. 26. 9. 2016. V. 138 (41). S. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Grigorij Molev