Лауреатами Нобелевской премии по химии этого года станут Жан-Пьер Соваж, сэр Фрэзер Стоддарт и Бернард Феринга, представляющие Францию, Великобританию/США и Голландию соответственно. Премия присуждена им в равных долях за «дизайн и синтез молекулярных машин». Это понятие, предложенное в 1950-е годы как одно из направлений науки будущего, и ставшее реальностью сравнительно недавно, благодаря работам лауреатов: механизмы, работающие подобно привычным нам колесам, двигателям и пружинам, но только построенные всего из нескольких, пусть и крупных молекул.
Переход от макромира к микро- (или точнее, наномиру) тут совсем нетривиален и не может быть выполнен путем последовательной миниатюризации. Хотя современная атомно-силовая микроскопия и позволяет манипулировать отдельными атомами металлов, соорудить таким образом электродвигатель нанометрового размера не получится. Чтобы научно-фантастическая идея стала реальностью, потребовался существенный прогресс в развитии органической химии и несколько крайне нетривиальных идей.
Начнем, собственно, с построения компонентов молекулярных механизмов — молекул, которые механически сочленены друг с другом. Вообще в химии такие взаимодействия распространены слабо: атомы внутри молекул прочно соединены ковалентными связями, а молекулы друг к другу притягиваются существенно более слабыми невалентными взаимодействиями. Но в то же время понятно, что если две молекулы имеют форму колец, и одно из этих колец продето в другое, то такая система не сможет расцепиться без разрыва ковалентных связей.
Такие системы были впервые получены в 1960-е, и называются катенанами от латинского catena — звено цепи. Существенный прогресс в их синтезе был достигнут Готтфридом Шиллом, которому удалось задействовать невалентные взаимодействия для направленного синтеза подобных сцепленных соединений — но выход реакций (процент целевого продукта) был невелик, практическое применение представить себе было невозможно, и соединения казались интересными только из-за своей своеобразной красоты.
Ситуация существенно изменилась благодаря работам Жана-Пьера Саважа. В 1983 году он впервые провел направленный синтез катенанов, задействовав атом металла как так называемый шаблон («темплат») для сборки. Эти металло-катенаны (из которых после того, как оба кольца замкнулись, атом металла можно убрать) оказалось сравнительно просто получать, и синтез основывался на прекрасно разработанных методах координационной и органической химии. Внезапно Сизифов труд полуслучайного синтеза сменился красивой задачей направленной сборки — и путь к запутанным молекулярным ожерельям, узлам и кольцам Борромео оказался открыт группам со всего мира.
Не всех химиков, впрочем, интересовала исключительно красота молекулярных комплексов. Если можно продеть одно кольцо в другое, то, наверно, можно и надеть кольцо на ось так, чтобы оно не могло соскочить? Действительно, такие соединения, «ротаксаны», можно получить (их получал и Шилл), проблема только в том, что тут аналогии из макромира работать перестают. Такое «колесо» не поможет молекуле катиться по поверхности, и вообще его вращение определяется в основном тепловым движением, оно не годится для механизмов. Но Джеймс Фрэзер Стоддарт, основываясь на другом методе темплатного синтеза, сумел синтезировать молекулу ротаксана, по которой кольцо может скользить между двумя заранее определенными положениями. Свою систему он назвал молекулярным челноком, и движение его можно было частично регулировать с помощью температуры.
В течение 1990-х годов жесткая конкуренция между группами Саважа и Стоддарта привела к созданию все более сложных молекулярных систем, в которых под воздействием света, окисления или химических реагентов механически сцепленные молекулы можно было сдвинуть или повернуть друг относительно друга. В начале 2000-х группы уже разрабатывали аналоги мышц, миниатюрные лифты и системы записи данных на молекулярных переключателях. В 2015 г. группа Стоддарда сумела даже синтезировать аналог ионного насоса из клеточных мембран.
Но очевидно, что молекулярными машинами не хочется называть конструкции, в которых нет мотора — и тут основное открытие сделал третий лауреат, Бернард Л. Феринга. С использованием исключительно контринтуитивного процесса, эксплуатирующего особенности фотохимии сопряженных систем и способность объемных заместителей в молекулах «цепляться» друг за друга, ему удалось создать систему, которая под периодическим воздействием света и тепла обеспечивала вращение в заданном направлении. Крутящий момент индивидуальной молекулы невелик, но подобные моторчики оказались способны вращать объекты в 10 000 раз больше себя самих. На основе таких молекулярных моторчиков, но уже другими группами, была сделана наномашинка, которая способна под воздействием электрических импульсов «катиться» по поверхности золота.
Вместе работы трех лауреатов действительно открыли новую область химии — и число работ в ней растет. Практического применения у подобных систем (пока?) нет — но не стоит забывать, что все живое построено из подобных молекулярных машин. Природа не нуждается в колесе, и эволюция не скована инженерными концепциями крутящего момента и направленного вращения — в действительности, машинерия клеток гораздо больше полагается на точное «сотрудничество» сотен слабых взаимодействий, чем на грубое механическое сочленение компонентов.
Но механизмы, способные имитировать живое, осуществлять механическую сборку на наноуровне и потенциально брать на себя новые функции внутри наших клеток, если в принципе когда-нибудь появятся, то будут дальними потомками машинок, катенанов и ротаксанов сегодняшних лауреатов.
