Химики создали трехпозиционный молекулярный переключатель-«крутилку»

Химики из Университета Зигена (Германия) синтезировали новую молекулярную машину — переключатель, способный существовать в пяти разных устойчивых состояниях. Устройство контролируется химическими реакциями. По словам авторов, разработка была вдохновлена ферментом АТФазой. Исследование опубликовано в Journal of Organic Chemistry.

Молекулярные машины — молекулы или молекулярные комплексы, способные управляемо выполнять простейшие механические действия: вращаться или двигаться наподобие поршня в насосе. Трое химиков,— Бернард Феринга, Пьер Соваж, сэр Фрейзер Стоддарт — получили в 2016 году Нобелевскую премию по химии за их разработку и синтез. Как правило, движение машин управляется физическими стимулами, например, светом, теплом или электричеством. Однако есть и достаточно широкий класс молекул, реагирующих на химические воздействия, например, введение окислителей или восстановителей.

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

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

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

АТФ-синтаза, которой вдохновлялись авторы, отвечает за синтез АТФ — основного источника энергии для клеток. Это комплекс из нескольких белков, состоящий из шести неподвижных субъединиц и одной подвижной гамма-субъединицы. Последняя, вращаясь, изменяет конформацию неподвижных субъединиц, что и катализирует присоединение остатков фосфорной кислоты к аденозиндифосфату.

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

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

Владимир Королёв