Mašinos iš mėgintuvėlių: žavingas mikropasaulis, už kurį skirta 2016 Nobelio premija chemijos srityje (Video)

Transliacinė rotaksanų izomerija – žiedas gali judėti išilgai grandinės, būdamas vienoje iš kelių stabilių padėčių. 1994 metais Stoddartas ir Sauvagas nepriklausomai vienas nuo kito parodė, kad šią izomeriją galima valdyti. Tam pakako užmauti teigiamą elektros krūvį turintį žiedą ant grandinėlės, kurioje yra du įmanomi susijungimo centrai. Pridėdami oksidatoriaus ar reduktoriaus, mokslininkai padidindavo žiedo „norą“ atsidurti prie vieno iš jungimosi centrų. Taip žiedai ant Stoddarto rotaksanų „šokinėjo“ tai į vieną, tai į kitą pusę, kaip stūmoklis, o Sauvago katenanų žiedai imdavo suktis vienas kito atžvilgiu. Taip chemijos pasaulyje atsirado pirmosios molekulinės mašinos.

Kalbant apie mikroskopinių molekulinių mašinų ir mums įprastų įrenginių panašumus, reikia atminti principinius jų veikimo mechanikos skirtumus. Kitaip nei įprastos makroskopinės mašinos, molekulinės praktiškai neturi inercijos ir negali išsaugoti judėjimo impulso — jų masė pernelyg maža. Jos gali atsistumti, prisitraukti ir atlikti žymų netgi dideliu mastu darbą. Visgi, tai atliekama be kinetinės energijos išsaugojimo ir perdavimo — tai, ką iš esmės veikia įprastinės transmisijos, smagračiai, švytuoklės ir t.t. Molekulinių mašinų dalių judėjimas neinercinis, todėl jos darbą visada atlieka žingsniais: nuo vienos padėties iki kitos. Tai išskirtinis bet kokių molekulinių mašinų bruožas, tiek dirbtiių, tiek ir natūralių: bakterijų šereliai, ribosomos, aktino ir miozino poros raumenyse, ATP sintetazė, etc.

Be cheminių valdymo metodų, mokslininkai išmoko pradėti ir stabdyti sukimąsi šviesa, elektra ir šiluma. 2000 metais Sauvago vadovaujama grupė pademonstravo neįprastą katenano ir rotaksano hibridą — galintį susitraukti ir išsitiesti dirbtinį raumenį. Neatsiliekanti nuo jų Stoddarto grupė 2004 metais sukūrė dar gudresnį mechanizmą — molekulinį liftą. Rotaksanus ir katenanus siūloma naudoti daug kur, nuo nanoelektrinių jungiklių ir informacijos saugojimo priemonių iki molekulinių motorų.

Paskui molekulinės mašinos persikėlė ir įprastų, ne topologiškai sujungtų molekulių pasaulin. Tai paskatino labai paprasta idėja: netgi visiškai nieko neveikiant su organinėmis molekulėmis, kuriose yra tradicinis viengubas kovalentinis ryšys, jos apie aplink jį labai greitai sukasi. Tik toks sukimasis nekontroliuojamas, iš anksto nežinia, į kurią pusę pasisuks molekulė konkrečios jungties atžvilgiu kitą akimirką.

Būtent čia išryškėjo pagrindinis Bernardo Feringo vaidmuo. Chemikas atsisakė sukimosi apie viengubą jungtį idėjos ir vietoje jos pasinaudojo dviguba jungtimi, šiaip jau nesisukančia apie savo ašį. Ji sudaryta taip, kad bandant pasukti aplink šios jungties ašį vieną molekulės fragmentą, ryšys trūksta. Tačiau toks pasukimas įmanomas, panaudojus išorinį poveikį, tarkime, apšvietus UV šviesa.

Feringa naudojo molekules, kurios dvigubų jungčių galuose buvo nemenkos, viena kitai trukdančios atomų grupės — mentės. Šviesa versdavo jas suktis viena kitos atžvilgiu, jos viena kitą šiek tiek kliudydavo ir taip molekulė deformuodavosi ir mentės pasisukdavo iki kitos patogios padėties, tam panaudodamos aplinkos šilumą. Kitas sugertas šviesos kvantas versdavo molekulę pasisukti vėl į tą pačią pusę ir vėl prisukdavo mentes iki patogios padėties. Sukimasis į kitą pusę molekulei buvo kur kas energetiškai nenaudingesnis. Tiksliai sudarę molekulės struktūrą, chemikai sukūrė motorą, besisukantį į griežtai apibrėžtą pusę. Iki 2014 metų mokslininkams pavyko užfiksuoti rekordinę spartą — maždaug 12 milijonų apsisukimų per sekundę.

Molekulinius motorus pavyko panaudoti makroskopinių kūnų, tūkstančius kartų didesnių už pačias „mašinas“, sukimui. Tam tereikia pritvirtinti vieną mentę prie aukso nanodalelės ar stiklinio karoliuko. 2011 metais Bernardo Feringos grupė pademonstravo molekulinio „automobilio“ koncepciją, sudaryto iš keturių motorų, sukamų elektros impulsais.

Kaip pažymima Nobelio komiteto pranešime spaudai, dabar molekuliniai motorai yra tokiame pačiame vystymosi etape, kaip ir elektros motorai XX amžiaus ketvirtajame dešimtmetyje. Mokslininkai kuria įvairiausius besisukančius ir judančius mechanizmus, neįsivaizduodami, kur jei bus naudojami po kelių dešimtmečių. Dabar važinėjame elektriniais traukiniais, troleibusais ar net elektromobiliais, naudojame skalbimo mašinas ir fenus. Kokia bus ateitis su molekulinėmis mašinomis??

Vienas iš įdomių objektų, kuriuos jau sukūrėchemikai, — dirbtinė ribosoma, galinti sintetinti oligopeptidus (grubiai tariant, labai trumpus baltymus). Ją sudaro rotaksanas, kurio žiedas, judėdamas išilgai grandinės, surenka aminorūgštis ir sujungia jas į peptidą. Kol kas tokia molekulinė mašina neaplenkia žmogaus vykdomos sintezės sparta — kvintilijonas tokių mašinėlių gali sukurti miligramus medžiagos, užtrukdamos po 12 valandų kiekvienos aminorūgšties liekanos prijungimui. Palyginimui, natūralios ribosomos per sekundę sumezga 15 – 20 aminorūgščių liekanų grandinėlę.

Kaip bebūtų, molekulinės mašinos, fabrikuose surenkančios sudėtingus junginius praktiškai po atomą, jau nebeatrodo absoliuti mokslinė fantastika. Kokios bus molekulinės mašinos po 100 metų, galime tik spėlioti.