Исследователи из Германии создали молекулярный нанопереключатель, который обратимо и неоднократно может быть активирован для контроля химической реакции. Работа предлагает подходы к созданию молекулярных машин, способных обмениваться информацией друг с другом, а также дает возможности контроля сложных каскадных реакций с помощью простого химического переключателя.

Ранее уже было создано большое количество молекулярных машин, способных к изменению состояния в результате химического, электрохимического или фотохимического воздействия. Обнаруженные в живой природе самозапирающиеся молекулярные механизмы мотивировали исследователей найти способы синтеза подобных искусственных молекулярных переключателей.

К настоящему времени исследователи уже смогли получить ряд фотоактивируемых молекулярных переключателей, способных активировать (или наоборот – дезактивировать) каталитическую активность, однако получение таких молекулярных машин, управляющихся в результате химического воздействия, до сих пор не было осуществлено.

Микаэлю Шмиттелю (Michael Schmittel) с коллегами из Университета Зигена

удалось синтезировать нанопереключатель, работающий подобно молекулярному механизму активации и дезактивации фермента протеинкиназы, вовлеченного в работу мозга – кальций/калмодулин-зависимой протеинкиназы II [calcium/calmodulin-dependent protein kinase II (CaMKII)].

Рис. 1. из Angew. Chemie, Int. Ed., 2012,
DOI: 10.1002/anie.201108089.

Шмиттель поясняет, что сложные молекулярные машины, работающие внутри нашего организма, чаще всего представляют собой сложные нанопереключатели, способные обмениваться информацией друг с другом. Он подчеркивает, что

для воспроизводимой двухсторонней коммуникации обратимая работа обеих молекулярных машин как в прямом, так и в обратном направлении должна характеризоваться высокой степенью предсказуемости.

Разработанный исследователями из Германии нанопереключатель отличается простой, но при этом достаточно многоцелевой архитектурой – молекула треугольной формы может быть активирована и дезактивирована у одной из вершин. В этой вершины сходятся два функциональных фрагмента, которые, связываясь друг с другом, приводят к проявлению молекулой каталитической активности (это соответствует активированному состоянию системы). При разъединении фрагментов активность исчезает, и это состояние отвечает дезактивированному состоянию системы.

Ключом для механизма активации и дезактивации новой системы являются ионы меди(I), которые, присутствуя в системе, дезактивируют молекулу, останавливая органокаталитическую реакцию – реакцию Кневенагеля. Ионы меди(I) не принимают непосредственного участия в каталитической реакции – их присутствие приводит к тому, что медь(I) вытесняет катион цинка из полости порфиринового цикла, а высвободившийся при этом катион цинка координируется с пиперидиновым фрагментом, что приводит к дезактивации каталитической системы и прекращению каталитической реакции. Если из реакционной системы удалить ионы меди(I), катион цинка отрывается от пиперидина, система активируется и каталитическая реакция возобновляется.

Специалист по молекулярным машинам из Университета Эдинбурга Дэвид Лейг (David Leigh) отмечает, что работа немецких химиков представляет собой интересный пример работающей молекулярной системы, обеспечивающей обратимую активацию/дезактивацию каталитической системы, которая, к тому же, может использоваться многократно. Лейг предполагает, что в перспективе подобным образом станет возможно связывать и высвобождать органокатализаторы.

В течение ближайших лет, как предполагает исследователь, стоит ждать существенного прогресса в применении молекулярных машин для химического синтеза.

Шмиттель предполагает, что обменивающиеся информацией нанопереключатели можно рассматривать как предварительную стадию создания молекулярной робототехники. Он добавляет, что

развитие архитектуры таких систем с сохранением уже найденной концепции позволит найти способы контроля и других химических реакций.