Двуногая молекула на «прогулке»

Химики из Великобритании разработали «двуногую» молекулу, которая способна перемещаться по «молекулярному следу». Новая система может стать основой для искусственных молекулярных моторов, способных переносить «полезную нагрузку» подобно биологическим молекулярным машинам.

При колебаниях среды от кислой к основной и обратно «двуногая» молекула перемещается по «подготовленным для нее следам». (Рисунок из Nature Chem., 2009, DOI: 10.1038/nchem.481)

Макс фон Делиус (Max von Delius)и Дэвид Лейг (David Leigh) из Университета Эдинбурга получили молекулярный мотор, состоящий из двух компонентов – молекулы-«шагохода», обладающего химически индивидуальными «ступнями» и четырехшаговой олигомерной «дорожки для ходьбы», компоненты которой проявляют специфичность к каждой из «ступней».

Первая ступня шагающей молекулы представляет собой гидразиновый фрагмент, вторая – серосодержащую группу; «дорожка для молекулярных прогулок» представлена чередующимися альдегидными и дисульфидными группами. В кислой среде гидразидный фрагмент обратимо образует ковалентную гидразоновую связь с любым из альдегидных фрагментов, при этом дисульфидная связь остается закрытой для атаки. При переходе к основным условиям все меняется – серосодержащая «нога» перемещается между двумя дисульфидными мостиками неподвижной каретки, а гидразон-содержащая «нога» в данном случае уже играет роль неподвижной оси поворота.

Изменение среды, окружающей молекулярное устройство, с кислой на основную и обратно способствует тому, что шагающая молекула перемещает свои «ноги», находя комплементарные им фрагменты на неподвижной каретке, при этом перемещаясь. Однако такой подход позволяет добиться лишь случайных перемещений молекулы по каретке. Для того чтобы заставить двигаться ее в одном направлении (что, очевидно, было бы полезнее) необходимо организовать на неподвижной каретке «уклон», способствующий тому, чтобы хотя бы одна из «ног» могла перемещаться в одном направлении с большей вероятностью, чем в другом.

Решить эту задачу удалось, заменив для дисульфидов равновесную кислотно-основную реакцию необратимым окислительно-восстановительным процессом. Восстановление способствует разрыву дисульфидных связей, а окисление приводит к их быстрому повторному образованию. В отличие от кислотно-основных реакций, при использовании которых реализуется термодинамический контроль, регулирование поведения молекулярного мотора с помощью окислительно-восстановительных процессов происходит уже в условиях кинетического контроля, позволяющего шагающей молекуле перемещаться однонаправлено.

Новый молекулярный шагающий мотор может проделать почти 40 шагов до своего разрушения, молекулярные моторы биологического происхождения (например кинезин, ответственный за транспорт белков в клетку) может сделать от 75 до 175 шагов. Лейг отмечает, что различие между синтетическими и природными шагающими системами нельзя назвать значительным, и 40 шагов – вполне достойный результат для первого поколения синтетических систем такого рода. Продемонстрировав принципиальную возможность перемещения нового молекулярного мотора по четырем опорным точкам, исследователи из Эдинбурга планируют увеличить размеры неподвижной каретки, разработать более эффективные шагающие молекулярные моторы и «научить» их переносить полезную нагрузку.