Химики придумали молекулярный Lego

Международная группа химиков предложила метод синтеза супрамолекулярных структур нужной формы и свойств, собирая их компоненты из «деталей» на манер конструктора Lego. Новый подход авторы представили в статье, опубликованной журналом ACS Central Science, кратко о нем рассказывает пресс-релиз Американского химического общества.
Функциональность биологических макромолекул определяется не столько их первичной структурой, набором атомов и функциональных групп, сколько вторичной, третичной и четвертичной структурами – иначе говоря, организацией этих функциональных групп в пространстве, топологией полимерных доменов, их взаимодействиями друг с другом и с окружающей средой. При этом синтез таких сложных структур в живой клетке напоминает сборку модели из конструктора Lego, деталь за деталью и модуль за модулем.
Такой элегантный и эффективный подход вдохновил развитие популярной в последние годы области «клик–химии». Задачей ее является не столько синтез определенных молекул, сколько поиск систем и механизмов, которые позволили бы поставить такой синтез на поток, за счет подбора определенных функциональных групп и реакций, обеспечивающих соединение различных модулей в нужные структуры. Такой подход применили и химики из США, Франции и Китая, работавшие под руководством Стивена Чэна (Stephen Cheng) из Университета Акрон.
Основной «блок Lego», который использовали ученые, представляет собой соединение DIBO-(XPOSS)–CHO, где POSS – многоугольник кремнийорганического силсесквиоксана с какой-либо функциональной группой (Х), а DIBO и CHO – две химические «защелки», с помощью которых он «крепится» к прочим деталям этого «конструктора». В присутствии медного катализатора дибензоциклооктин (DIBO) вступает в азид-алкиновое циклоприсоединение, а альдегидная группа (CHO) при взаимодействии с аминогруппой может превращаться в оксим. Эти реакции, протекающие на противоположных концах DIBO-(XPOSS)–CHO, обеспечивают контакт «строительных блоков» с «молекулами–адаптерами».

Использовались различные низкомолекулярные «адаптеры», позволяющие восстановить клик-активность концевых групп и повторять цикл, наращивая линейную молекулу в длину, либо ветвя ее на том или ином участке и управляя геометрией образующегося соединения. Наконец, к одному из концов исходного «блока» присоединялся длинный полистироловый (PS) «хвост», который мог использоваться для выделения и очистки продукта, участвовал в самосборке супрамолекулярных комплексов или – при необходимости – мог быть легко удален.
«Процесс обещает удобный модульный способ конструирования гигантских молекул», – замечают Стивен Чэн и его соавторы, описывая несколько супрамолекулярных структур, которые им удалось получить. Ученые синтезировали комплексы с разной длины PS–«хвостом», различными функциональными группами (Х), разным количеством «блоков» XPOSS, расположенных как линейно, так и на ветвящейся структуре. Обладая способностью к самосборке, они образовывали супрамолекулярные соединения разной геометрии, формируя структуры совершенно разных форм, от кубических до шестигранных и «сэндвичей» разной толщины.
«Эта макромолекулярная инженерия может применяться и для более широкого набора синтетических макромолекул, помимо гигантских соединений на базе PS–POSS», – заключают авторы. По их мнению, аналогичный подход позволит с ювелирной точностью конструировать наноструктуры «не только интригующие с научной точки зрения, но и полезные с технологической».