Молекулярные машины можно найти в природе повсюду. Например, в живых клетках они осуществляют транспортировку белков и принимают участие в клеточном метаболизме. Чтобы создать искусственные молекулярные машины, ученым нужно понять законы механики, управляющие движением таких машин в молекулярном, или нанометровом, масштабе.

Для решения этой проблемы ученые Университета Калифорнии, Риверсайд (University of California, Riveside) изучили класс молекулярных машин, «шагающих» по плоской металлической поверхности. Они рассмотрели два варианта – «двуногие» машины, идущие на двух «ногах», и «четвероногие», шагающие на четырех.

«Мы создали напоминающую коня структуру с четырьмя «ногами», чтобы изучить, как молекулярная машина координирует движение нескольких своих частей», – говорит профессор химии Людвиг Бартельс (Ludwig Bartels), чья лаборатория возглавляла исследование. «Пару лет назад мы установили, как можно переносить молекулы углекислого газа вдоль пересекающей поверхность прямой линии, используя молекулярную машину с двумя «ногами», перемещающуюся последовательными шагами обеих ног. Для нового исследования мы решили создать образец, который может переносить больший груз, что означает, что ему нужно больше ног. Но если у него будет больше двух ног, как он будет координировать их движение?».

Четвероногая молекулярная машина,
передвигающаяся иноходью – сначала
движутся вместе обе ноги с одной стороны
молекулы, затем – с другой стороны.
(Image credit: Bartels lab, UC Riverside)

В ходе лабораторных экспериментов Бартельс и его коллеги обнаружили, что четвероногие молекулы используют один из аллюров – иноходь, то есть сначала вместе движутся обе ноги на одной стороне молекулы, а потом – обе ноги на противоположной стороне. Созданный учеными образец надежно продвигался вдоль линии, не сворачивая в сторону и не отклоняясь от курса. Исследователи также смоделировали движение образца рысью – когда вместе двигаются ноги, находящиеся диагонально, и пришли к выводу, что эта форма движения деформировала молекулу настолько сильно, что делала ее нежизнеспособной.

Установив, как движется молекула, ученые обратились к фундаментальному вопросу, касающемуся молекулярных машин: преодолевает ли молекула (или ее части) представленные шероховатостями поверхности барьеры, с которыми она сталкивается на своем пути, туннелированием?

Четвероногая молекулярная машина,
передвигающаяся рысью – одновременно
движутся ноги, находящиеся по диагонали.
Ученые пришли к выводу, что такая форма движения
нарушает структуру молекулы и делает
ее нежизнеспособной.
(Image credit: Bartels lab, UC Riverside)

«Если это так, это означало бы кардинальное отличие от механики макромира и значительно ускорило бы движение», – говорит Бартельс. «Это было бы похоже на езду по ухабистой дороге, когда колеса вашей машины скорее проходят сквозь ухабы, чем огибают их сверху. Известно, что квантовая механика разрешает такое поведение для очень маленьких частиц, таких как электроны и атомы водорода, но относится ли это к большим молекулам?

В ходе экспериментов Бартельс и его коллеги варьировали температуру с тем, чтобы молекулярные машины получали разное количество энергии, и изучали, как такое изменение влияло на их скорость. Они установили, что двуногие машины могут использовать туннелирование, чтобы пронестись сквозь поверхность гофра. Но машины с четырьмя (или потенциально с большим количеством) ногами не способны использовать туннелирование. Ученые пришли к выводу, что, хотя такая машина может координировать движение своих ног при перемещении иноходью, она не может координировать их туннелирование.

«Таким образом, даже в мельчайших масштабах, если вы хотите перенести груз, вам нужны свет и проворные двуногие транспортные средства», – заключает Бартельс. «Большие транспортные средства способны нести больше груза, но так как они не могут эффективно использовать туннелирование, их движение замедляется. Расстраивает ли нас это? В принципе, нет, так как молекулярные машины как концепция еще находятся в зачаточном состоянии. В том, что молекула движется медленно, есть и преимущество: это позволяет нам более подробно изучить ее движения и научиться управлять ими».

В ближайшее время ученые планируют заняться разработкой молекулярных машин, движением которых можно управлять с помощью света.

«В целом, туннелирование никак не вписывается в картину функционирования биологических молекулярных машин», – говорит Бартельс. «Наше исследование корректирует это представление, что может, в свою очередь, привести к новым способам управления или коррекции поведения биологических молекулярных машин».

Молекулярные машины интенсивно изучаются из-за их возможного применения в биологии и медицине. Например, пациентам с ГЭРБ (гастроэзофагеальной рефлюксной болезнью) назначаются ингибиторы протонной помпы, которые замедляют наносную деятельность биологических молекулярных машин, снижая, таким образом, уровень кислотности в желудке.

Искусственные молекулярные машины представляют интерес для микроэлектронной промышленности, стремящейся получить все меньшие и меньшие активные элементы компьютеров и средства хранения информации. Потенциально они могут функционировать внутри клеток как их биологические аналоги, принося большую пользу в медицине.

(Image credit: Bartels lab, UC Riverside)

Лаборатория Бартельса использовала для своей работы следующие молекулы: антрахинон (anthraquinone) и пентахинон (pentaquinone) – обе двуногие; пентаценететрон (pentacenetetrone) и диметилпентаценететрон (dimethyl pentacenetetrone) – обе четвероногие.

Исследование стало возможным благодаря приборам, разработанным и построенным в лаборатории Бартельса, специализирующегося на создании инструментария для сканирующей туннельной микроскопии и его применении в молекулярных системах.

Результаты исследования опубликованы в интернет-издании Journal of the American Chemical Society, а также появятся в ближайшем печатном номере журнала.

Аннотация в статье: Tunability in Polyatomic Molecule Diffusion through Tunneling versus Pacing