Крошечные структуры, состоящие из механически связанных молекул, могут действовать как единые «молекулярные машины», и это чрезвычайно захватывающая область химических исследований. Ученые сформировали из самосборных пептидов мельчайшие взаимосвязанные биомеханические структуры в мире – их размер составляет всего одну миллиардную метра.

Происхождение молекулярных механизмов можно проследить до ранней работы французского Жана-Пьера Соважа, который работал в области фотохимии в 1983 году и открыл пару молекул, связанных вокруг иона меди. Когда медь была удалена, остались только молекулы, связанные механической связью (в то время как обычно это ковалентная связь, питаемая за счет распределения электронов между атомами). Эта структура заложила основу для работ коллеги Соважа, исследователя Фрейзера Стоддарта, который в 1991 году «надел» молекулярное кольцо на ось молекулы, а затем – для трудов Бен Феринга, который разработал первый полноценный «молекулярный двигатель» в 1999 году.

В 2016 году Соваж, Стоддарт и Феринг были удостоены Нобелевской премии по химии за новаторские исследования в области молекулярного оборудования, и их работа продолжает вдохновлять других ученых по сей день.

За последнее десятилетие мы стали свидетелями создания первого в мире искусственного молекулярного насоса, предназначенного для передачи энергии между молекулами, а также других достижений в области молекулярных машин. Например, таких, которые используют структуры, похожие на ноги, для лечения болезней, а также особых молекулярных «наноподводных лодок», которые убивают раковые клетки…

Помимо человеческого тела, молекулярные машины также демонстрируют многообещающие перспективы в области хранения энергии и разработки новых материалов и датчиков.

Большинство механически связанных молекул, составляющих основу этих молекулярных машин, до сих пор полагались на ионы металлов и агрессивные растворители – они помогали сформировать желаемые структуры. Ученые Принстонского университета решили обойти потребность в искусственных строительных блоках, полностью синтезируя механически взаимосвязанные молекулы из природных биомолекул, в данном случае крошечных цепочек аминокислот, известных как пептиды.

В качестве отправной точки команда использовала природный пептид в форме лассо под названием микроцин J25. Аминокислоты, составляющие этот пептид, были генетически сконструированы для выполнения совершенно другой роли и самоорганизуются в самые разные формы при помещении в воду. В качестве примера ученым удалось создать два соединенных кольца, кольцо на гантели, цепочку в форме ромашки и даже сдвоенное лассо. Все они были размером в одну миллиардную метра.

«Нам удалось сформировать множество структур, которые раньше получить не удавалось. Это самые маленькие нитевидные или взаимосвязанные структуры, которые вы можете сделать из пептидов», — заявил А. Джеймс Линк, профессор химической и биологической инженерии и главный исследователь данного проекта.

Интересно, что некоторые из этих структур могли переключаться между двумя или более формами, что, по словам исследователей, закладывает основу для своего рода «биомолекулярного переключателя». В более широком смысле, работа демонстрирует формирование очень сложных структур и может открыть дверь для новых биомолекул, которые пригодятся во всех отраслях, от дизайна материалов до медицинского обслуживания.