Nobelova nagrada za kemiju dodjeljuje se izumiteljima nanomašina. Molekularni strojevi: Nobelova nagrada za kemiju dodijeljena za minijaturizaciju Dobitnici Nobelove nagrade za kemiju

Dobitnici Nobelove nagrade za kemiju: Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa i Fraser Stoddart

Proglašenje dobitnika Nobelove nagrade za kemiju

Moskva. 5. listopada. web stranica - Nobelova nagrada za kemiju 2016. dodijeljena je Jean-Pierreu Sauvageu, Bernardu Feringi i Fraseru Stoddartu s formulacijom "za dizajn i sintezu molekularnih strojeva".

Sauvage je francuski kemičar specijaliziran za supramolekularnu kemiju. Ovo je područje kemije koje proučava supramolekularne strukture - sklopove koji se sastoje od dvije ili više molekula koje se drže zajedno međumolekularnim interakcijama. Sauvage je postao prvi kemičar koji je sintetizirao spoj iz klase katenana. Molekule ovih tvari sastoje se od dva međusobno povezana prstena; Ova vrsta veze naziva se topološka, ​​pojašnjava stranica N+1.

Ilustracija istezanja i skupljanja strukture molekularne petlje

Fraser Stoddart, škotski znanstvenik koji sada radi u SAD-u, proširio je popis spojeva sa sličnim “nekemijskim” vezama sintetizirajući rotaksan. Molekule rotaksana sastoje se od dugog lanca na koji je labavo pričvršćen prsten. Zahvaljujući dvije velike strukture na krajevima lančića, prsten ne može "otpasti" s njega.

Molekularni prijenos koji je stvorio Stoddart koji se može kontrolirano kretati duž osi

Bernard Feringa, specijalist u području molekularne nanotehnologije i homogene katalize, postao je prvi kemičar koji je razvio i sintetizirao molekularni motor - molekulu koja je pod utjecajem svjetlosti doživjela strukturne promjene i počela se okretati poput lopatice vjetrenjače. strogo određenom smjeru. Godine 1999., pomoću molekularnih motora, znanstvenik je uspio napraviti stakleni cilindar 10 tisuća puta veći od veličine motora koji se okreću.

Primjer molekularnog stroja s četiri "kotača"

Godine 2015. dobitnici Nobelove nagrade u istoj kategoriji bili su Šveđanin Thomas Lindahl, koji radi u Velikoj Britaniji, te Amerikanac Paul Modrich i znanstvenik turskog podrijetla Aziz Sancar, koji se bave istraživanjem u Sjedinjenim Državama. Nagrada im je dodijeljena za istraživanje mehanizama popravka DNK - posebne funkcije stanica koja se sastoji u sposobnosti ispravljanja kemijskih oštećenja i lomova u molekulama DNK do kojih dolazi tijekom normalne biosinteze ili kao rezultat izloženosti fizičkim ili kemijskim agenti.

Nobelovu nagradu za kemiju 2014. godine dobili su Amerikanci Eric Betzig i William Moner te Nijemac Stefan Hell za doprinos razvoju fluorescentne mikroskopije super rezolucije.

Ranije ovog tjedna proglašeni su dobitnici Nobelove nagrade za medicinu (dobio ju je japanski znanstvenik Yoshinori Ohsumi) i Nobelove nagrade za fiziku (dobiti su bili David Thoules, Duncan Haldane i Michael Kosterlitz za svoj rad u topološkim faznim prijelazima i topološkim fazama materije ) postao poznat.

Jedini dosadašnji ruski nobelovac za kemiju bio je Nikolaj Semenov (1896.-1986.) 1956. godine, zajedno s Englezom Cyrilom Hinshelwoodom, za istraživanje mehanizma kemijskih reakcija.

Sljedeći dobitnik Nobelove nagrade za mir bit će objavljen u petak, 7. listopada.

Dobitnici Nobelove nagrade za 2016. dobit će 8 milijuna švedskih kruna (oko 931 tisuća dolara). Svečanost dodjele tradicionalno će se održati u Stockholmu 10. prosinca, na dan smrti utemeljitelja Nobelovih nagrada, švedskog poduzetnika i izumitelja Alfreda Nobela (1833.-1896.).

zabilježeno

Laureati: Francuz Jean-Pierre Sauvage sa Sveučilišta u Strasbourgu, škotski rođeni Sir J. Fraser Stoddart sa Sveučilišta Northwestern (Illinois, SAD) i Bernard L. Feringa (Feringa) sa Sveučilišta u Groningenu (Nizozemska).

izvor: pbs.twimg.com

Nagrada glasi: "za dizajn i sintezu molekularnih strojeva". Ovogodišnji dobitnici pridonijeli su minijaturizaciji tehnologije koja bi mogla biti revolucionarna. Sauvage, Stoddart i Feringa nisu samo minijaturizirali strojeve, već su kemiji dali i novu dimenziju.

Znanstvenici su stvorili molekularne mehanizme koji mogu izvoditi usmjerene pokrete i pritom djelovati kao pravi strojevi. Mogu se koristiti prvenstveno u raznim senzorima, kao iu medicini.

Prema priopćenju za tisak Švedske kraljevske akademije znanosti, profesor Jean-Pierre Sauvage napravio je prvi korak prema molekularnom stroju 1983. godine kada je uspješno povezao dvije molekule u obliku prstena u lanac poznat kao katenane. Molekule se obično drže zajedno jakim kovalentnim vezama u kojima atomi dijele elektrone, ali u ovom lancu spojeni su labavijom mehaničkom vezom. Da bi stroj izvršio zadatak, mora se sastojati od dijelova koji se mogu pomicati jedan u odnosu na drugi. Dva spojena prstena u potpunosti ispunjavaju ovaj zahtjev.

Drugi korak poduzeo je Fraser Stoddart 1991. kada je razvio rotaksan (vrsta molekularne strukture). Uvukao je molekularni prsten u tanku molekularnu os i pokazao da se taj prsten može kretati duž osi. Rotaksani su osnova za takve razvoje kao što su molekularni elevator, molekularni mišić i računalni čip baziran na molekulama.

A Bernard Feringa bio je prva osoba koja je razvila molekularni motor. Godine 1999. dobio je molekularnu lopaticu rotora koja se stalno okreće u jednom smjeru. Pomoću molekularnih motora zarotirao je stakleni cilindar koji je bio 10 tisuća puta veći od motora, a znanstvenik je razvio i nanoauto.

Zanimljivo je da laureati iz 2016. nisu posebno “blistali” na raznim listama favorita koje se pojavljuju svake godine uoči “Nobelovog tjedna”.

Među onima kojima su mediji ove godine dodijelili nagradu iz kemije su, primjerice, George M. Church i Feng Zhang (obojica rade u SAD-u) za korištenje CRISPR-cas9 editiranja genoma u ljudskim i mišjim stanicama.

Na popisu favorita našao se i hongkonški znanstvenik Dennis Lo (Dennis Lo Yukming) zbog svog otkrića bezstanične fetalne DNK u plazmi kopna, što je revolucioniralo neinvazivno prenatalno testiranje.

Spominjala su se i imena japanskih znanstvenika - Hiroshi Maeda i Yasuhiro Matsamura (za otkriće učinka povećane propusnosti i zadržavanja makromolekularnih lijekova, što je ključno otkriće za liječenje raka).

U nekim izvorima moglo se pronaći ime kemičara Alexandera Spokoinyja, koji je rođen u Moskvi, ali je nakon preseljenja obitelji u Ameriku živio i radio u SAD-u. Nazivaju ga "zvijezdom u usponu kemije". Inače, jedini sovjetski dobitnik Nobelove nagrade za kemiju bio je akademik Nikolaj Semenov 1956. godine - za razvoj teorije lančanih reakcija. Većina dobitnika ove nagrade su znanstvenici iz Sjedinjenih Država. Njemački znanstvenici su na drugom mjestu, britanski znanstvenici na trećem.

Nagrada za kemiju mogla bi se nazvati "najnobelovijom od Nobela". Uostalom, čovjek koji je utemeljio ovu nagradu, Alfred Nobel, bio je upravo kemičar, au periodnom sustavu kemijskih elemenata nobelij se nalazi odmah do mendelevija.

Odluku o dodjeli ove nagrade donosi Kraljevska švedska akademija znanosti. Od 1901. (tada je prvi dobitnik u području kemije bio Nizozemac Jacob Hendrik van't Hoff) do 2015. Nobelova nagrada za kemiju dodijeljena je 107 puta. Za razliku od sličnih nagrada u području fizike ili medicine, ona se češće dodjeljivala jednom laureatu (u 63 slučaja), nego više njih odjednom. No, samo su četiri žene postale laureati u kemiji - među njima Marie Curie, koja je također imala Nobelovu nagradu za fiziku, te njezina kći Irene Joliot-Curie. Jedina osoba koja je dva puta dobila kemijskog Nobela bio je Frederick Sanger (1958. i 1980.).

Najmlađi dobitnik bio je 35-godišnji Frédéric Joliot, koji je nagradu primio 1935. godine. A najstariji je bio John B. Fenn, koji je dobio Nobelovu nagradu u dobi od 85 godina.

Prošle godine dobitnici Nobelove nagrade za kemiju bili su Thomas Lindahl (Velika Britanija) i dva znanstvenika iz SAD-a - Paul Modrich i Aziz Sancar (podrijetlom iz Turske). Nagrada im je dodijeljena za “mehanička istraživanja popravka DNK”.

SVE FOTOGRAFIJE

Nobelova nagrada za kemiju 2016. dodijeljena je trojici znanstvenika za dizajn i sintezu molekularnih strojeva. Nagradu su primili nizozemski istraživač Bernard Feringa, Britanac koji radi u Sjedinjenim Američkim Državama James Fraser Stoddart i Francuz Jean-Pierre Sauvage, priopćeno je iz Nobelovog odbora.

Znanstvenici su uspjeli razviti najmanje strojeve na svijetu. Istraživači su uspjeli povezati molekule, stvarajući sićušna dizala, umjetne mišiće i mikroskopske motore. "Dobitnici Nobelove nagrade za kemiju 2016. minijaturizirali su strojeve i odveli kemiju u novu dimenziju", stoji na web stranici odbora. U priopćenju se napominje da bi razvojem računalne tehnologije minijaturizacija tehnologije mogla dovesti do revolucije.

Tim znanstvenika razvio je molekule s kontroliranim pokretima koje mogu obavljati zadatke kada se doda energija. Sauvage je napravio prvi korak prema stvaranju molekularnih strojeva 1983. godine, formirajući lanac od dvije molekule u obliku prstena nazvan katenan. Da bi stroj izvršio zadatak, mora se sastojati od dijelova koji se mogu pomicati jedan u odnosu na drugi. Dva prstena koja je povezao Sauvage ispunjavala su upravo taj zahtjev.

Stoddart je poduzeo drugi korak 1991., sintetiziravši rotaksan, spoj u kojem je prsten vezan za molekulu u obliku bučice. Među njegovim razvojem su molekularni lift, molekularni mišić i računalni čip stvoren na temelju molekula.

Konačno, Feringa je 1999. demonstrirao rad molekularnih motora.

Očekuje se da će se u budućnosti molekularni strojevi koristiti za stvaranje novih materijala, senzora i sustava za pohranu energije.

Stoddart je rođen 1942. u Edinburghu. Znanstvenica se specijalizirala za područje supramolekularne kemije i nanotehnologije te radi na Sveučilištu Northwestern u američkoj državi Illinois. Sauvage je rođen u Parizu 1944. godine, bavi se znanstvenim radom na Sveučilištu u Strasbourgu, specijalnost su mu koordinacijske veze. Feringa, rođen 1951. u Barger-Compaskumu u Nizozemskoj, profesor je organske kemije na nizozemskom Sveučilištu Groningen.

Nobelova nagrada vrijedi 8 milijuna švedskih kruna. Nagrada za kemiju dodjeljuje se od 1901. (osim 1916., 1917., 1919., 1924., 1933., 1940., 1941. i 1942.). Ove godine nagrada je dodijeljena 108. put.

Nobelovu nagradu za kemiju 2015. godine dobili su Šveđanin Thomas Lindahl, američki državljanin Paul Modric i Amerikanac turskog podrijetla Aziz Sancar za istraživanje mehanizama popravka DNK. Rad znanstvenika dao je svijetu temeljna znanja o funkcijama živih stanica, a posebno o njihovoj upotrebi u novim metodama borbe protiv raka, izvijestio je Nobelov odbor. Procjenjuje se da oko 80-90% svih karcinoma nastaje zbog nedostatka popravka DNK.

Prema pravilima, Nobelova nagrada za fiziku i kemiju može se dodijeliti samo autorima radova objavljenih u recenziranom tisku. Osim toga, otkriće mora biti uistinu značajno i univerzalno priznato od strane svjetske znanstvene zajednice, zbog čega eksperimentalci dobivaju nagradu češće od teoretičara.

Dan ranije u Stockholmu je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku. Troje britanskih znanstvenika koji rade u Sjedinjenim Državama dobili su nagradu. Britanac Duncan Haldane i Amerikanci škotskog podrijetla David Thouless i Michael Kosterlitz dobili su nagradu za “teorijska otkrića topoloških faznih prijelaza i topoloških faza materije”. Znanstvenici su istraživali neobična stanja materije. Riječ je o supravodičima, superfluidima i tankim magnetskim filmovima.

Nobelova nagrada za fiziologiju i medicinu za 2016. godinu dodijeljena je 3. listopada 71-godišnjem japanskom znanstveniku Yoshinoriju Ohsumiju. Nagrađen je za svoja otkrića u području autofagije (od grčkog "samojedenje") - procesa u kojem se unutarnje komponente stanice dostavljaju u njezine lizosome (kod sisavaca) ili vakuole (kod stanica kvasca) i tamo podvrgnuti degradaciji.

Dobitnici Nobelove nagrade za kemiju 2016. bili su Jean-Pierre Sauvage sa Sveučilišta u Strasbourgu (Francuska), Fraser Stoddart sa Sveučilišta Northwestern (SAD) i Bernard Feringa sa Sveučilišta u Groningenu (Nizozemska). Prestižna nagrada dodijeljena je "za dizajn i sintezu molekularnih strojeva" - pojedinačnih molekula ili molekularnih kompleksa koji mogu izvoditi određene pokrete kada im se energija dobavlja izvana. Daljnji razvoj ovog područja obećava pomake u mnogim područjima znanosti i medicine.

Nobelov odbor redovito nagrađuje djela koja osim znanstvene vrijednosti imaju i neku dodatnu draž. Na primjer, u otkriću grafena Geima i Novoselova (vidi Nobelovu nagradu za fiziku - 2010., “Elementi”, 10/11/2010), osim samog otkrića i njegove upotrebe za promatranje kvantnog Hallovog efekta na sobnoj temperaturi , bilo je izvanrednih tehničkih detalja: ljuštenje slojeva grafita jednostavnom trakom. Shekhtman, koji je otkrio kvazikristale, imao je povijest znanstvenog sukoba s drugim uglednim nobelistom - Paulingom, koji je izjavio da "ne postoje kvazikristali, ali postoje kvazi-znanstvenici".

U području molekularnih strojeva, na prvi pogled, nema takvog vrhunca, osim činjenice da jedan od laureata, Stoddart, ima vitešku titulu (nije prva). Ali zapravo, još uvijek postoji važna značajka. Sinteza molekularnih strojeva je gotovo jedino područje u akademskoj organskoj kemiji koje se može nazvati čistim inženjeringom na molekularnoj razini, gdje ljudi dizajniraju molekulu od nule i ne miruju dok je ne dobiju. U prirodi takve molekule, naravno, postoje (tako su strukturirani neki proteini organskih stanica - miozin, kinezini - ili, na primjer, ribosomi), ali ljudi su još daleko od dostizanja takve razine složenosti. Stoga su za sada molekularni strojevi plod ljudskog uma od početka do kraja, bez pokušaja oponašanja prirode ili objašnjenja promatranih prirodnih pojava.

Dakle, govorimo o molekulama u kojima se jedan dio može kontrolirano kretati u odnosu na drugi – obično koristeći neke vanjske utjecaje i toplinu za kretanje. Kako bi stvorili takve molekule, Sauvage, Stoddard i Feringa došli su do različitih principa.

Sauvage i Stoddard izradili su mehanički povezane molekule: katenane - dva ili više povezanih molekularnih prstenova koji rotiraju jedan u odnosu na drugi (slika 1), i rotaksane - složene molekule od dva dijela, u kojima se jedan dio (prsten) može kretati duž drugoga (ravno baza ), ima volumetrijske skupine (čepove) duž rubova tako da prsten "ne odleti" (slika 2).

Koristeći gornji koncept, stvoreni su "molekularni elevatori", "molekularni mišići", razne molekularne topološke strukture od teorijskog interesa, pa čak i umjetni ribosom sposoban vrlo sporo sintetizirati kratke proteine.

Feringhijev pristup bio je bitno drugačiji i vrlo elegantan (slika 3). U Feringhi molekularnom motoru, dijelovi molekule koji rotiraju jedan u odnosu na drugi nisu povezani mehanički, već stvarnom kovalentnom vezom - dvostrukom vezom ugljik-ugljik. Rotacija skupina oko dvostruke veze nemoguća je bez vanjskog utjecaja. Takav učinak može biti ozračivanje ultraljubičastim svjetlom: slikovito rečeno, ultraljubičasto svjetlo selektivno razbija jednu vezu u dvostruku, omogućujući rotaciju na djelić sekunde. U svim položajima, Feringhijeva molekula je strukturno napeta, a dvostruka veza produljena. Pri okretanju molekula prati najmanji otpor, pokušavajući pronaći položaj s najmanjom napetosti. Ona to ne uspijeva, ali se u svakoj fazi okreće gotovo isključivo u jednom smjeru.

Sličan motor s manjim izmjenama, kao što je prikazano 2014., može napraviti približno 12 milijuna okretaja u sekundi (J. Vachon i sur., 2014. Ultrabrzi površinski vezani fotoaktivni molekularni motor). Najljepša uporaba Feringhi motora prikazana je u “nanomašini” na zlatnoj podlozi (slika 4). Četiri motora, pričvršćena poput kotača na dugu molekulu, okreću se u jednom smjeru, a "auto" se kreće naprijed.

Trenutno je u tijeku razvoj molekularnog motora koji se može aktivirati vidljivim svjetlom umjesto UV-om. Uz pomoć takvog motora bit će moguće pretvarati sunčevu energiju u mehaničku na potpuno dosad neviđen način – zaobilazeći električnu energiju.

U svom najnovijem radu, objavljenom u časopisu Američkog kemijskog društva ( JACS), Feringa je pokazao dizajn motora čija se brzina vrtnje može kontrolirati kemijskim djelovanjem, kao što je prikazano na sl. 5. Kada se molekularnom motoru doda efektorska molekula (metalni diklorid - cink Zn, paladij Pd ili platina Pt), potonji mijenja konformaciju, što olakšava rotaciju. Mjerenja su pokazala da se na 20°C, od tri testirana efektora, motor najbrže okreće kod platine (s frekvencijom od 0,13 Hz), nešto sporije kod paladija (0,035 Hz) i još sporije kod cinka (0,009 Hz). Maksimalna brzina motora bez efektora je 0,0041 Hz. Uočeni fenomen potvrđen je kvantno mehaničkim proračunima motoričkih struktura sa i bez efektora. Izračuni pokazuju kako se mijenja konformacija i koliko je rotacija lakša.

Zaključno, vrijedi reći da molekularni motori još nisu pronašli primjenu u svakodnevnom životu, ali je gotovo sigurno pitanje vremena iu skoroj budućnosti ćemo vidjeti njihovu aktivnu primjenu.

Izvori:
1) Nobelova nagrada za kemiju 2016. - službena poruka Nobelovog odbora.
2) Molecular Machines - detaljan pregled rada laureata, pripremio Nobelov odbor.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa i Sander J. Wezenberg. Alosterička regulacija brzine vrtnje u molekularnom motoru pokretanom svjetlošću // Časopis Američkog kemijskog društva. 26. rujna 2016. V. 138 (41). P. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Grigorij Molev