Исследователи из Великобритании и Бельгии измерили значение работы, которую может выполнить единичная искусственно синтезированная человеком молекула. Результаты измерения показывают, что рукотворные молекулы могут совершать такую же работу, как и природные молекулярные машины, и, соответственно, окажут помощь химикам в создании искусственных молекулярных машин.

Многие биологические молекулы могут выполнять полезную работу. Например, моторные белки кинезин и динеин перемещают полезную загрузку по клетке, используя энергию АТФ, химического топлива биологических систем. В последние годы химики получили не имеющие природных аналогов молекулярные машины, выполняющие полезные операции (перемещение капель жидкости, вращение микрообъектов), однако синтетические молекулярные машины выполняют свою работу совместно, для их работы требуется совместное присутствие миллиардов и более искусственных молекулярных машин.

Дэвид Лейг (David Leigh) из Университета Эдинбурга смог измерить работу, совершаемую единичной синтетической молекулой. В качестве модели для измерения этой работы исследователи использовали ротаксан, макроциклу которого выгоднее оставаться у одного конца стержня благодаря системе водородных связей.

Сила, которую может создавать цикл ротаксана при перемещении, составляет 30 пиконьютонов. (Рисунок из Nat. Nanotechnol., 2011, DOI: 10.1038/nnano.2011.132)

Исследователи из группы Лейга закрепили ось ротаксана к поверхности золота, а к макроциклу ротаксана – полимер, способный изменять свою конформацию, растягиваясь и сжимаясь при этом. Другой конец полимерной цепи был связан с зондом атомно-силового микроскопа. Перемещение зонда приводило к тому, что первоначально полимер переходил от клубковой информации к расплетенной, а затем к тому, что система водородных связей между макроциклом и ось ротаксана разрывалась, и макроцикл перемещался к другому концу оси ротаксана. Однако, прекращение перемещения зонда атомно-силового микроскопа приводило к тому, что за счет случайных термических флуктуаций макроцикл возвращался в термодинамически предпочтительное положение.

После измерения сил, возникавших при нескольких сотнях циклов, в результате которых проходило перемещение макроцикла ротаксана вдоль его оси, и усреднения результатов измерений был сделан вывод о том, что молекула ротаксана может создавать силу около 30 пиконьютон, совершаемая ротаксаном работа, таким образом, составляет 6 ккал/моль; сила, создаваемая молекулами кинезина или миозина лежит в пределах от 5 до 60 пиконьютонов (в зависимости от источника молекулярной машины).

Дин Астумян (Dean Astumian), эксперт по молекулярным машинам из Университета Мэн, отмечает, что работа Лейга является логическим дополнением цикла работ Фрейзера Стоддарта (Fraser Stoddart), опубликованных в 2005. В тех экспериментах исследователи из группы Стоддарта не изучали циклы перемещения макроцикла ротаксана по его стержню, но, тем не менее, изучали изменение механических свойств ротаксана в его различных состояниях.

По словам Астумяна сладующим логическим этапом исследований была бы комбинация результатов двух экспериментов – Стоддарта и Лейга. Такой эксперимент мог бы дать информацию о механизме преобразования химической энергии в механическую – ключевой стадии работы многих молекулярных машин.