Американские химики разработали и синтезировали протяженную молекулу, способную перемещать вдоль себя другие заряженные молекулы даже против градиента концентрации. Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology, а кратко с ним можно ознакомиться в блоге Королевского химического общества.

Концепция «молекулы-насоса», реализованная авторами. Изображение: Chuyang Cheng et al. / Nature Nanotechnology, 2015

Авторы работы поставили себе задачу получить ротаксан, в котором на одной нити будут располагаться несколько циклических положительно заряженных молекул-«колец». Сложность этой задачи в том, что положительно заряженные кольца в согласии с законом Кулона будут отталкиваться друг от друга, а значит надевать на цепочку каждую следующую молекулу будет все труднее и труднее. Для решения этой задачи авторы прибегли к молекулярному дизайну.

Молекула-«насос», синтезированная химиками, состоит из четырех функциональных частей, соединенных между собой углеродными цепочками. Первая часть выполняет роль стопора, отталкивающего положительно заряженные частицы, следом за ней идет фрагмент, способный в определенных условиях притягивать к себе «кольцо». Третьей частью является еще один стопор, преодолеваемый молекулой под действием тепла, после чего, на длинной цепочке располагается еще один стопор, по своему размеру больший, чем диаметр отверстия в «кольце».

Процесс «надевания» «кольца» с экспериментальной точки зрения выглядит очень просто: в раствор, содержащий «кольца» и «насосы» химики добавляли сначала тонкий порошок цинка, а затем, по прошествии 10 минут, небольшое количество окислителя (NOPF6). Следом за этим реакционная смесь нагревалась — в результате получалась нить с одним надетым «кольцом». Для надевания второго «кольца» в смесь добавлялось дополнительное количество циклических молекул и последовательность действий повторялась.

Строение «молекулы-насоса» с двумя надетыми на нее «кольцами». Ниже приведен ЯМР спектр NOESY, позволяющий определить какие из атомов водорода в структуре взаимодействуют между собой. Это основной метод исследования, позволяющий доказать образование ротаксанов в этом случае. Изображение: Chuyang Cheng et al. / Nature Nanotechnology, 2015

На данный момент ученые работают над дальнейшим увеличением количества циклических молекул, которые «насос» способен на себе удержать. Важным шагом является дизайн самой молекулярной структуры, позволяющей управлять движением единичных молекул. Авторы сравнивают предложенную ими систему с молекулярными насосами в живой клетке. Она гораздо проще белковых комплексов, осуществляющих транспорт ионов в клетки, однако обладает очевидными ограничениями в работоспособности.