Химики заставили рибосомы производить катализаторы

Химики создали искусственную рибосому и научили ее синтезировать катализатор для химических реакций, считывая информацию с модифицированных молекул полистирола. Хотя скорость синтеза катализатора невелика, это один из немногочисленных примеров молекулярных машин, способных имитировать деятельность природных молекулярных систем. Об этом в статье в журнале Nature Nanotechnology пишут исследователи из университетов Манчестера и Монса, краткое изложение результатов приводит Chemistry World.

Рибосомы — органоиды живых клеток, которые можно рассматривать, как сложные молекулярные машины, состоящие из РНК и белков. Они отвечают за одну из главных стадий синтеза белков в клетке — трансляцию. При трансляции информация, записанная в тройки рибонуклеотидов матричной РНК, используется для последовательной сборки аминокислот в белки. Причем информация кодируется как в составе троек рибонуклеотидов, так и в порядке рибонуклеотидов в них.

Воспроизвести подобную конструкцию искусственно, синтетическими методами, очень сложно — одна только масса рибосомы достигает 2,5 миллиона дальтон. Однако химики пытаются воспроизвести функции рибосомы с помощью гораздо более простых молекулярных машин. Так, в группе Дэвида Лея (Университет Манчестера) были синтезированы ротаксановые «рибосомы» — молекулы-кольца, способные присоединять к себе фрагменты других молекул.

Работают они так: кольцо «рибосомы» помещают на длинную органическую цепь (полимер), с одного конца которой находится большой стопор, не дающий кольцу соскочить, а с другой стороны от кольца к цепи прикреплены последовательно несколько аминокислотных остатков. Когда кольцо двигается в сторону аминокислот, становится возможна реакция, при которой аминокислота отрывается от цепи и присоединяется к определенному участку кольца. Соответствующий участок цепи становится «у́же» и кольцо свободно его преодолевает, достигая следующего аминокислотного остатка. В конечном итоге, собрав все аминокислоты с цепи, кольцо соскальзывает с нее и оказывается свободно плавающим в растворе. Так химикам удалось вырастить с помощью искусственной рибосомы олигопептид длиной в три аминокислоты.

Чтобы перейти к использованию искусственных рибосом для более прикладных целей, Дэвид Лей и коллеги немного изменили постановку эксперимента. В роли информации, записанной на цепи, выступало количество одинаковых молекул, которые надо собрать в единую цепочку. Структура же самой рибосомы по сравнению с первыми экспериментами почти не изменилась.

Целью ученых было заставить молекулярную машину собрать небольшой олигомер лейцина — пептид, состоящий из шести соединенных молекул аминокислоты. Как и многие белки, в растворе этот олигомер приобретает третичную структуру, точнее, сворачивается в спираль. Эта молекулярная спираль, как было известно, способна выступать в роли асимметрического катализатора в реакции окисления кетонов. Это означает, что если в какой-то реакции может образовываться два разных продукта, структуры которых зеркально симметричны, то добавка этого катализатора сделает возможной образование только одного из двух почти неотличимых продуктов. Оценить важность асимметрического катализа можно из истории о талидомиде, когда одна форма вещества была седативным лекарственным средством, а другая, зеркально симметричная, обладала тератогенным действием и вызывала уродства у плода.

Новая матричная «цепь» для искусственной рибосомы была основана на полистироле — широко используемом в промышленности полимере. Химики синтезировали олигомеры полистирола, состоявшие из 57 молекул стирола, к пяти случайным из которых были пришиты молекулы лейцина. Чтобы начать сборку катализатора, необходимо было поместить «рибосому» на эту цепь. С этой задачей ученые справились, разместив ротаксан сначала на другой, короткой цепи, а затем скрепив ее с основной полистирольной цепочкой. Затем исследователи запустили процесс работы молекулярной машины.

Через четыре дня работы молекулярных машин, заключавшейся в случайных блужданиях рибосом-ротаксанов вдоль цепи и постепенных реакциях наращивания цепи из лейцина, химики выделили из реакционной смеси готовый катализатор. Как и ожидалось, он позволил со стопроцентным выходом получить только один практически чистый (96 процентов) зеркальный изомер продукта эпоксидирования непредельного кетона по реакции Жюлиа-Колонна.

Стоит отметить, что скорость работы искусственной рибосомы на порядки меньше, чем у настоящей. Рибосомы в обычных клетках способны «склеивать» по 20 аминокислот в секунду, а у ротаксановых рибосом группы Дэвида Лея на шесть молекул лейцина уходит четыре дня.

При разработке молекулярных машин химики часто вдохновляются работой биомолекул. Так, в 2016 году группа нобелевского лауреата по химии Бена Феринги синтезировала молекулу, способную подобно хеликазе распутывать двойные спирали. О других молекулярных машинах можно прочитать в нашем материале «Машина из пробирки».

Владимир Королёв