Они нарушили правила движения в микроскопическом мире и получили за это нобелевскую премию по химии
Одно из направлений, где планируется использовать молекулярные машины, — транспортировка лекарств внутри организма прямо к больному органу. Учитывая огромную скорость, с которой движутся молекулы (например, в кипящей воде она может достигать 2340 км/ч), это будет действительно “экспресс-доставка”
Нобелевскую премию по химии в этом году получили сразу трое ученых — француз Жан-Пьер Соваж, британец Фрейзер Стоддарт и нидерландец Бернард Феринга. Высокой международной награды они удостоены “за проектирование и синтез молекулярных машин”. Попытаемся разобраться, что это такое, чем открытие научного “триумвирата” полезно человечеству сейчас и как отразится на его будущем.
Гонки по вертикали
Только на первый взгляд в микромире много случайного, а поведение микроскопических элементов хаотично и не поддается логике. На самом деле все молекулы всегда движутся по строго определенным маршрутам. Они даже корректируют общее движение на “трассах”, сцепляясь друг с другом чем-то похожим на шестерни. Причем выполняют эти “фигуры автопилотажа” с ювелирной точностью. И так стремительно, что им могли бы позавидовать лучшие гонщики знаменитой “Формулы-1”. Например, скорость движения молекул воды во время ее кипения может достигать 650 м/с (2340 км/ч)!
В чем суть?
Обычный человек, услышав словосочетание “молекулярная машина”, наверняка начнет вспоминать сюжет популярного в 1980-е годы американского фильма “Внутреннее пространство”. В этой картине один из героев, уменьшившись по воле ученых до микроскопических размеров, становится пилотом управляемой капсулы, которую отправляют в путешествие по кровеносным сосудам живого человека. Безусловно, сюжет интересен. И, вполне возможно, такие технологии — дело ближайшего будущего. Реальность же пока хотя и увлекательна, но далеко не так фантастична.
Нужно сразу сказать, что ни Соваж, ни Стоддарт, ни Феринга не проектировали никаких сложных механизмов в техническом смысле. Чтобы не заставлять читателя продираться сквозь дебри сложных понятий биоорганической химии, скажем максимально просто: ученые изобрели способы (по одному на каждого), при помощи которых разные молекулы можно собирать вместе, а также направлять и контролировать их. Такие “сборные конструкции” очень пластичны, они способны проникать куда угодно и совершать запрограммированные действия с микроскопическими объектами на уровне атомов (например, переносить их с одного места на другое, сближать, чтобы между ними образовалась химическая связь, или растаскивать в стороны, чтобы химическая связь порвалась) — то есть фактически действовать как управляемые машины.
Каждый из нобелевских лауреатов придумал нечто оригинальное: Жан-Пьер Соваж — молекулярный замок, Фрейзер Стоддарт — молекулярный челнок, а Бернард Феринга — молекулярный двигатель. Но “монтаж” их изобретений предусматривает не использование неорганических синтетических материалов, а манипуляции с различными видами молекул — это уже так называемая координационная химия, на развитие которой ученые возлагают большие надежды.
От теории к практике
Как было отмечено во время объявления имен лауреатов Нобелевской премии, молекулярные механизмы даже сейчас во многом остаются игрушкой ума, не находя практического применения: их слишком сложно построить и еще сложнее заставить работать. Но фундаментальные открытия, стоящие за кажущейся простотой их конструкции, уже используются на практике. Главная область применения — адресная доставка лекарств.
В июле 2015 года команда американских ученых разработала первое вещество, которое “перемещается” по организму именно управляемыми молекулами, — аналог известного лекарства от рака комбретастина. Однако комбретастин наряду с опухолями атакует и здоровые ткани (это недостаток многих препаратов такого плана, которые не имеют целенаправленного действия и вместе с раковыми клетками уничтожают здоровые). А контролируемые молекулы доставляют лекарство прямо в опухоль, не нанося вреда здоровым органам.
Так что в будущем совокупное открытие ученых может найти применение в молекулярной медицине — созданные из молекул нанороботы будут расчищать тромбы и жировые отложения в сердечных артериях, убивать вредоносные бактерии и так далее. Чем не практическое воплощение научной фантастики?
ПЕРСПЕКТИВЫ
Путешествие по кровеносным сосудам
Молекулярные машины и контролируемые молекулы — конструкции хотя и необычные, но обывателей заинтересуют мало. Однако невероятная идея путешествия по кровеносным сосудам человека при помощи искусственно созданных микромашин все же может быть воплощена в жизнь.Недавно ученые из университета Monash University (Мельбурн, Австралия) разработали самый маленький в мире пьезоэлектрический микродвигатель шириной всего четверть миллиметра. Его мощности достаточно, чтобы перемещать по кровеносным сосудам микроробота, который сможет проникать в места, недоступные хирургам, и передавать наиболее достоверную информацию о состоянии клеток человека без проведения оперативного вмешательства, а также отбирать образцы тканей.
Сергей Усанов, академик-секретарь отделения химии и наук о Земле НАН, член-корреспондент, доктор химических наук:
— Исследования Жан-Пьера Соважа, Фрейзера Стоддарта и Бернарда Феринга, разделивших Нобелевскую премию на троих, несомненно, очень важны. Причем речь идет именно о практической пользе не только для науки будущего, но и самого ближайшего времени.
Объяснить суть исследований в двух словах, а тем более для людей, не сведущих в биохимии, сложно. Дело в том, что обычно химические соединения построены с помощью ковалентных связей, то есть жестко фиксированы. Сейчас же удалось построить соединение по принципу цепочки, за счет электронных взаимодействий. Это означает, что компоненты “цепи” теперь независимы и подвижны. Они могут быть использованы для создания новых материалов, сенсоров, энергосберегающих систем.
Кроме того, молекулярные машины способны совершить и непременно совершат переворот в медицине. Ведь с их помощью можно создавать различных нанороботов. Например, для целевого поиска раковых клеток или коррекции расстроенных биохимических функций организма.
