Nobelova cena za chemii se uděluje vynálezcům nanostrojů. Molekulární stroje: Nobelova cena za chemii udělená za miniaturizaci Laureáti Nobelovy ceny za chemii

Laureáti Nobelovy ceny za chemii: Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa a Fraser Stoddart

Vyhlášení laureátů Nobelovy ceny za chemii

Moskva. 5. října. webová stránka - Nobelovu cenu za chemii v roce 2016 získali Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa a Fraser Stoddart se zněním „za návrh a syntézu molekulárních strojů“.

Sauvage je francouzský chemik specializující se na supramolekulární chemii. Jedná se o obor chemie, který studuje supramolekulární struktury – sestavy sestávající ze dvou nebo více molekul držených pohromadě prostřednictvím mezimolekulárních interakcí. Sauvage se stal prvním chemikem, který syntetizoval sloučeninu ze třídy catenanů. Molekuly těchto látek se skládají ze dvou navzájem spojených kruhů; Tento typ spojení se nazývá topologický, objasňuje místo N+1.

Ilustrace struktury molekulární smyčky natahování a stahování

Fraser Stoddart, skotský vědec nyní pracující v USA, rozšířil seznam sloučenin s podobnými „nechemickými“ vazbami syntézou rotaxanu. Molekuly rotaxanu se skládají z dlouhého řetězce, na kterém je volně připojen kroužek. Díky dvěma velkým strukturám na koncích řetízku z něj prsten nemůže „spadnout“.

Molekulární přenos vytvořený Stoddartem, který se může pohybovat pod kontrolou podél osy

Bernard Feringa, specialista v oboru molekulární nanotechnologie a homogenní katalýzy, se stal prvním chemikem, který vyvinul a syntetizoval molekulární motor – molekulu, která pod vlivem světla prošla strukturálními změnami a začala se otáčet jako lopatka větrného mlýna v přesně stanovený směr. V roce 1999 se vědci pomocí molekulárních motorů podařilo vyrobit skleněný válec 10 tisíckrát větší, než je velikost rotujících motorů.

Příklad molekulárního stroje se čtyřmi "koly"

V roce 2015 byli nositeli Nobelovy ceny ve stejné kategorii Švéd Thomas Lindahl, který pracuje ve Spojeném království, a Američan Paul Modrich a vědec tureckého původu Aziz Sancar, který provádí výzkum ve Spojených státech. Ocenění jim bylo uděleno za výzkum mechanismů opravy DNA - speciální funkce buněk, která spočívá ve schopnosti opravovat chemická poškození a zlomy v molekulách DNA, ke kterým dochází při normální biosyntéze nebo v důsledku vystavení fyzikálním či chemickým vlivům. agenti.

Nobelovu cenu za chemii v roce 2014 získali Američané Eric Betzig a William Moner a Němec Stefan Hell za přínos k vývoji fluorescenční mikroskopie s vysokým rozlišením.

Začátkem tohoto týdne byli vítězové Nobelovy ceny za medicínu (obdrželi ji japonský vědec Yoshinori Ohsumi) a Nobelovy ceny za fyziku (výherci byli David Thoules, Duncan Haldane a Michael Kosterlitz za práci v oblasti topologických fázových přechodů a topologických fází záležitost) stal se známým.

Jediným dosud ruským nositelem Nobelovy ceny za chemii byl Nikolaj Semenov (1896-1986) v roce 1956 spolu s Angličanem Cyrilem Hinshelwoodem za výzkum mechanismu chemických reakcí.

Další nositel Nobelovy ceny za mír bude znám v pátek 7. října.

Laureáti Nobelovy ceny za rok 2016 obdrží 8 milionů švédských korun (asi 931 tisíc dolarů). Slavnostní předávání cen se tradičně uskuteční ve Stockholmu 10. prosince, v den úmrtí zakladatele Nobelových cen, švédského podnikatele a vynálezce Alfreda Nobela (1833-1896).

poznamenal

Laureáti: Francouz Jean-Pierre Sauvage z University of Strasbourg, skotský rodák Sir J. Fraser Stoddart z Northwestern University (Illinois, USA) a Bernard L. Feringa . Feringa) z University of Groningen (Nizozemí).

zdroj: pbs.twimg.com

Znění ceny zní: „za návrh a syntézu molekulárních strojů“. Letošní vyznamenaní přispěli k miniaturizaci technologie, která by mohla být revoluční. Sauvage, Stoddart a Feringa nejen miniaturizovaly stroje, ale daly chemii také nový rozměr.

Vědci vytvořili molekulární mechanismy, které mohou provádět řízené pohyby, a tím se chovat jako skutečné stroje. Využití najdou především v různých senzorech a také v medicíně.

Podle tiskové zprávy Královské švédské akademie věd udělal profesor Jean-Pierre Sauvage první krok k molekulárnímu stroji v roce 1983, když úspěšně spojil dvě molekuly ve tvaru prstence dohromady a vytvořil řetězec známý jako katenan. Molekuly jsou normálně drženy pohromadě silnými kovalentními vazbami, ve kterých atomy sdílejí elektrony, ale v tomto řetězci jsou spojeny volnější mechanickou vazbou. Aby stroj mohl vykonávat úlohu, musí se skládat z částí, které se mohou vzájemně pohybovat. Dva spojené kroužky tento požadavek plně splňují.

Druhý krok učinil Fraser Stoddart v roce 1991, když vyvinul rotaxan (typ molekulární struktury). Navlékl molekulární prstenec do tenké molekulární osy a ukázal, že se tento prstenec může pohybovat podél osy. Rotaxany jsou základem pro takový vývoj, jako je molekulární výtah, molekulární sval a počítačový čip založený na molekulách.

A Bernard Feringa byl první člověk, který vyvinul molekulární motor. V roce 1999 získal molekulární rotorový list, který se neustále otáčí jedním směrem. Pomocí molekulárních motorů roztočil skleněný válec, který byl 10 tisíckrát větší než motor, a vědec také vyvinul nanocar.

Je zajímavé, že laureáti za rok 2016 nijak zvlášť „nezářili“ v různých seznamech favoritů, které se každoročně objevují v předvečer „Nobelova týdne“.

Mezi těmi, kteří byli letos médii oceněni cenou za chemii, jsou například George M. Church a Feng Zhang (oba pracující v USA) za využití úpravy genomu CRISPR-cas9 v lidských a myších buňkách.

Na seznamu favoritů byl také hongkongský vědec Dennis Lo (Dennis Lo Yukming) za objev bezbuněčné fetální DNA v pevninské plazmě, který způsobil revoluci v neinvazivním prenatálním testování.

Zazněla i jména japonských vědců – Hiroshi Maeda a Yasuhiro Matsamura (za objev efektu zvýšené permeability a retence makromolekulárních léčiv, což je klíčový objev pro léčbu rakoviny).

V některých pramenech lze nalézt jméno chemika Alexandra Spokoinyho, který se narodil v Moskvě, ale poté, co se jeho rodina přestěhovala do Ameriky, žil a pracoval v USA. Říká se mu „vycházející hvězda chemie“. Mimochodem, jediným sovětským laureátem Nobelovy ceny za chemii byl v roce 1956 akademik Nikolaj Semenov – za rozvoj teorie řetězových reakcí. Většina příjemců této ceny jsou vědci ze Spojených států. Němečtí vědci jsou na druhém místě, britští vědci jsou na třetím místě.

Cenu za chemii lze nazvat „nejnobelovější z Nobelových cen“. Ostatně muž, který toto ocenění založil, Alfred Nobel, byl právě chemikem a v Periodické tabulce chemických prvků se nobelium nachází hned vedle mendelevia.

O udělení této ceny rozhoduje Královská švédská akademie věd. Od roku 1901 (tehdy byl prvním oceněným v oblasti chemie Holanďan Jacob Hendrik van't Hoff) do roku 2015 byla Nobelova cena za chemii udělena 107krát. Na rozdíl od podobných cen v oblasti fyziky nebo medicíny byla častěji udělována jednomu laureátovi (v 63 případech) než několika najednou. Laureátkami za chemii se však staly pouze čtyři ženy – mezi nimi Marie Curie, která měla i Nobelovu cenu za fyziku, a její dcera Irene Joliot-Curie. Jediný člověk, který dostal chemickou Nobelovu cenu dvakrát, byl Frederick Sanger (1958 a 1980).

Nejmladším oceněným byl 35letý Frédéric Joliot, který cenu obdržel v roce 1935. A nejstarším byl John B. Fenn, kterému byla ve věku 85 let udělena Nobelova cena.

Loni byli laureáty Nobelovy ceny za chemii Thomas Lindahl (Velká Británie) a dva vědci z USA - Paul Modrich a Aziz Sancar (rodák z Turecka). Cena jim byla udělena za „mechanické studie opravy DNA“.

VŠECHNY FOTKY

Nobelovu cenu za chemii za rok 2016 získali tři vědci za návrh a syntézu molekulárních strojů. Cenu obdrželi výzkumník z Nizozemska Bernard Feringa, Brit působící ve Spojených státech, James Fraser Stoddart a Francouz Jean-Pierre Sauvage, podle tiskové zprávy Nobelovy komise.

Vědcům se podařilo vyvinout nejmenší stroje na světě. Vědcům se podařilo propojit molekuly dohromady a vytvořit tak malé výtahy, umělé svaly a mikroskopické motory. „Nositelé Nobelovy ceny za chemii za rok 2016 miniaturizovali stroje a posunuli chemii do nové dimenze,“ píše se na webových stránkách výboru. Tisková zpráva uvádí, že s rozvojem výpočetní techniky by miniaturizace technologie mohla vést k revoluci.

Tým vědců vyvinul molekuly s řízenými pohyby, které mohou plnit úkoly, když je přidána energie. Sauvage udělal první krok k vytvoření molekulárních strojů v roce 1983, kdy vytvořil řetězec dvou prstencových molekul nazývaných katenan. Aby stroj mohl vykonávat úkol, musí se skládat z částí, které se mohou vzájemně pohybovat. Dva prsteny spojené Sauvage přesně tento požadavek splnily.

Stoddart udělal druhý krok v roce 1991, syntetizoval rotaxan, sloučeninu, ve které je prstenec připojen k molekule ve tvaru činky. Mezi jeho vývoje patří molekulární výtah, molekulární sval a počítačový čip vytvořený na bázi molekul.

Nakonec Feringa v roce 1999 demonstroval fungování molekulárních motorů.

Očekává se, že v budoucnu budou molekulární stroje využívány k vytváření nových materiálů, senzorů a systémů pro ukládání energie.

Stoddart se narodil v roce 1942 v Edinburghu. Vědec se specializuje na oblast supramolekulární chemie a nanotechnologie a působí na Northwestern University v americkém státě Illinois. Sauvage se narodil v Paříži v roce 1944, věnuje se vědecké činnosti na univerzitě ve Štrasburku, jeho specializací jsou koordinační spojení. Feringa, narozený v roce 1951 v Barger-Compaskum v Nizozemsku, je profesorem organické chemie na nizozemské univerzitě v Groningenu.

Nobelova cena má hodnotu 8 milionů švédských korun. Cena za chemii se uděluje od roku 1901 (kromě let 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 a 1942). Letos byla cena udělena již po 108.

V roce 2015 byla Nobelova cena za chemii udělena Švédovi Thomasi Lindahlovi, americkému občanovi Paulu Modricovi a turecko-americkému Azizu Sancarovi za výzkum mechanismů opravy DNA. Práce vědců dala světu základní poznatky o funkcích živých buněk a zejména o jejich využití v nových metodách boje s rakovinou, uvedl Nobelov výbor. Odhaduje se, že asi 80–90 % všech rakovin je způsobeno nedostatkem opravy DNA.

Nobelovu cenu za fyziku a chemii lze podle pravidel udělit pouze autorům prací publikovaných v recenzovaném tisku. Objev musí být navíc skutečně významný a světovou vědeckou komunitou všeobecně uznávaný, proto cenu dostávají experimentalisté častěji než teoretici.

O den dříve byla ve Stockholmu udělena Nobelova cena za fyziku. Ocenění získali tři britští vědci pracující ve Spojených státech. Brit Duncan Haldane a skotští Američané David Thouless a Michael Kosterlitz obdrželi cenu za „teoretické objevy topologických fázových přechodů a topologických fází hmoty“. Vědci prozkoumali neobvyklé stavy hmoty. Hovoříme o supravodičích, supratekutinách a tenkých magnetických filmech.

Nobelovu cenu za fyziologii a medicínu za rok 2016 získal 71letý japonský vědec Jošinori Ohsumi 3. října. Byl oceněn za své objevy v oblasti autofagie (z řeckého „sebepožírání“) – procesu, při kterém jsou vnitřní složky buňky dodávány do jejích lysozomů (u savců) nebo vakuol (v kvasinkových buňkách) a jsou tam podléhá degradaci.

Laureáti Nobelovy ceny za chemii za rok 2016 se stali Jean-Pierre Sauvage z University of Strasbourg (Francie), Fraser Stoddart z Northwestern University (USA) a Bernard Feringa z University of Groningen (Holandsko). Prestižní cena byla udělena „za návrh a syntézu molekulárních strojů“ – jednotlivých molekul nebo molekulárních komplexů, které mohou vykonávat určité pohyby, když jsou zásobovány energií zvenčí. Další rozvoj této oblasti slibuje průlomy v mnoha oblastech vědy a medicíny.

Nobelova komise pravidelně oceňuje díla, která mají kromě vědecké hodnoty i nějakou další chuť. Například při objevu grafenu Geimem a Novoselovem (viz Nobelova cena za fyziku - 2010, „Elements“, 10/11/2010), kromě samotného objevu a jeho využití pro pozorování kvantového Hallova jevu při pokojové teplotě , byly pozoruhodné technické detaily: odlupování vrstev grafitu pomocí jednoduché pásky. Shekhtman, který objevil kvazikrystaly, měl za sebou historii vědecké konfrontace s jiným uznávaným nositelem Nobelovy ceny - Paulingem, který prohlásil, že „neexistují žádné kvazikrystaly, ale existují kvazivědci“.

V oblasti molekulárních strojů na první pohled žádný takový vrchol není, kromě toho, že jeden z laureátů, Stoddart, má rytířský titul (není první). Ale ve skutečnosti je tu stále důležitá vlastnost. Syntéza molekulárních strojů je téměř jedinou oblastí v akademické organické chemii, kterou lze nazvat čistým inženýrstvím na molekulární úrovni, kde lidé navrhují molekulu od začátku a nedají pokoj, dokud ji nedostanou. V přírodě takové molekuly samozřejmě existují (takto jsou strukturovány některé proteiny organických buněk - myosin, kinesiny - nebo například ribozomy), ale lidé ještě zdaleka nedosahují takové úrovně složitosti. Proto jsou prozatím molekulární stroje plodem lidské mysli od začátku do konce, bez pokusů napodobovat přírodu nebo vysvětlovat pozorované přírodní jevy.

Hovoříme tedy o molekulách, ve kterých se jedna část dokáže řízeně pohybovat vůči druhé – obvykle k pohybu využívá nějaké vnější vlivy a teplo. K vytvoření takových molekul přišli Sauvage, Stoddard a Feringa s různými principy.

Sauvage a Stoddard vyrobili mechanicky spojené molekuly: katenany - dva nebo více spojených molekulárních kruhů, které se vzájemně otáčejí (obr. 1), a rotaxany - složené molekuly ze dvou částí, ve kterých se jedna část (kruh) může pohybovat podél druhé (přímo). základna ), mající na okrajích objemové skupiny (zátky), aby kroužek „neodlétl“ (obr. 2).

Pomocí výše uvedeného konceptu byly vytvořeny "molekulární výtahy", "molekulární svaly", různé molekulární topologické struktury teoretického zájmu a dokonce umělý ribozom schopný velmi pomalu syntetizovat krátké proteiny.

Feringhiho přístup byl zásadně odlišný a velmi elegantní (obr. 3). U Feringhiho molekulárního motoru jsou vzájemně rotující části molekuly spojeny nikoli mechanicky, ale skutečnou kovalentní vazbou - dvojnou vazbou uhlík-uhlík. Rotace skupin kolem dvojné vazby je nemožná bez vnějšího vlivu. Takovým efektem může být ozáření ultrafialovým světlem: obrazně řečeno ultrafialové světlo selektivně rozbije jednu vazbu na dvojitou, což umožní rotaci na zlomek vteřiny. Ve všech polohách je Feringhiho molekula strukturálně napnutá a dvojná vazba je prodloužena. Při otáčení molekula sleduje nejmenší odpor a snaží se najít polohu s nejmenším napětím. To se jí nedaří, ale v každé fázi se otáčí téměř výhradně jedním směrem.

Podobný motor s drobnými úpravami, jak je ukázán v roce 2014, je schopen přibližně 12 milionů otáček za sekundu (J. Vachon et al., 2014. Ultrarychlý povrchově vázaný fotoaktivní molekulární motor). Nejkrásnější využití Feringhiho motoru bylo demonstrováno na „nanostroji“ na zlatém substrátu (obr. 4). Čtyři motory, připojené jako kola k dlouhé molekule, se otáčejí jedním směrem a „auto“ se pohybuje vpřed.

V současné době probíhá vývoj molekulárního motoru, který lze aktivovat viditelným světlem místo UV. Pomocí takového motoru bude možné zcela bezprecedentním způsobem přeměnit sluneční energii na energii mechanickou – obcházet elektřinu.

Ve své nejnovější práci, publikované v Journal of the American Chemical Society ( JACS), Feringa ukázala konstrukci motoru, jehož rychlost otáčení by mohla být řízena chemickým působením, jak je znázorněno na Obr. 5. Když se do molekulárního motoru přidá efektorová molekula (chlorid kovu - zinek Zn, palladium Pd nebo platina Pt), motor změní konformaci, což usnadní rotaci. Měření ukázala, že při 20 °C se ze tří testovaných efektorů motor otáčí nejrychleji s platinou (s frekvencí 0,13 Hz), o něco pomaleji s palladiem (0,035 Hz) a ještě pomaleji se zinkem (0,009 Hz). Maximální rychlost motoru bez efektoru je 0,0041 Hz. Pozorovaný jev byl potvrzen kvantově mechanickými výpočty motorických struktur s efektory a bez efektorů. Výpočty ukazují, jak se mění konformace a jak je rotace jednodušší.

Závěrem se sluší říci, že molekulární motory zatím nenašly uplatnění v běžném životě, ale je to téměř jistě otázkou času a v blízké budoucnosti se dočkáme jejich aktivního využití.

Prameny:
1) Nobelova cena za chemii 2016 - oficiální sdělení Nobelova výboru.
2) Molekulární stroje - podrobný přehled práce laureátů, zpracovaný Nobelovou komisí.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa a Sander J. Wezenberg. Alosterická regulace rychlosti otáčení u světlem poháněného molekulárního motoru // Journal of the American Chemical Society. 26. září 2016. V. 138 (41). S. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Grigorij Molev