Создана первая молекулярная машина, обеспечивающая движение только в одном направлении

Известно, что основой практически всех известных форм жизни являются молекулярные машины. Эти крошечные двигатели различных типов, которые находятся внутри каждой живой клетки, преобразовывают химическую энергию в работу, обеспечивая, тем самым, функционирование отдельных клеток и организмов в целом. Изобретение синтетических молекулярных машин, которые могут приводить в действие различные наномеханизмы, является одной из самых «горячих» тем в современной нанонауке. А подтверждением этому является то, что самые выдающиеся ученые в этой области стали в свое время лауреатами Нобелевской премии в области химии.

Не так давно международная группа исследователей, возглавляемая исследователями из университета Осаки, Япония, создали молекулярную машину, в которой были использованы элементы механической трещотки. Основным достоинством этой машины является то, что она обеспечивает движение лишь в одном направлении. Кроме этого, некоторые особенности структуры молекулярной машины обеспечивают наилучший баланс между вырабатываемым движением и химической реактивностью входящих в ее состав молекул, что само по себе является проблемой.

Основой всех классических молекулярных машин является большая симметричная циклическая молекула, размещенная в середине между двумя «блокаторами». Такую структуру называют термином ротаксан (rotaxane), но то, что удалось сделать японским исследователям, можно охарактеризовать, как псевдо-ротаксан. Все три основных компонента машины, центральная часть и два блокатора являются маленькими шестиугольными кольцами, одними из вариантов пиридния (pyridinium). К каждому из блокаторов машины присоединены метильные группы (CH3), одна из которых и выполняет роль трещотки.

Еще одним элементом молекулярной машины является альфа-циклодекстрин, циклическая структура, состоящая из шести колец глюкозы. Эта часть достаточно велика, а ее форма достаточно хорошо соответствует концу молекулы с «трещоткой». А с химической точки зрения эта структура является катализатором процесса обмена водородными атомами с водным раствором. Проведенные исследования показали, что водородный обмен происходит только на одном конце трещотки. На это указало то, что ионы дейтерия были найдены на двух метильных группах только одной стороны и в центральной части молекулы, когда она, эта молекула, была помещена в тяжелую воду (D2O).

«В своей работе мы реализовали одну из идей, подсказанной нам самой природой» — пишут исследователи, — «Теперь же, получив в распоряжение молекулярную машину, способную вырабатывать движение только в одном направлении, мы имеем возможность строить сложные наномеханизмы с гораздо более глубоким уровнем контроля за их действиями».