laureați ai premiului Nobel pentru chimie. Trei oameni de știință au primit Premiul Nobel pentru Chimie pentru crearea de mașini moleculare

Premiul Nobel pentru Chimie 2016 a fost acordat trei cercetători: Jean-Pierre Sauvage de la Universitatea din Strasbourg, James Fraser Stoddart de la Universitatea Northwestern (SUA) și Bernard Feringa de la Universitatea din Groningen (Olanda) pentru inventarea mașinilor moleculare.

„Lifturi, mușchi și motoare în miniatură.

Acești oameni de știință au creat molecule cu mișcări controlate care pot lucra atunci când li se aplică energie”, a spus Comitetul Nobel într-un comunicat.

Membrii Comitetului Nobel în timpul prezentării laureaților au comparat invenția mașinilor moleculare cu dezvoltarea mașinilor la începutul secolului al XIX-lea, inclusiv dezvoltarea ulterioară a motoarelor electrice, care a devenit una dintre etapele cheie ale revoluției industriale. Câteva minute mai târziu, Comitetul Nobel a reușit să facă legătura cu unul dintre laureați, Bernard Feringe.

„Nu știam ce să spun, a fost o mare surpriză”, a răspuns Feringa când a fost întrebat de un jurnalist suedez care au fost primele cuvinte ale omului de știință când a aflat despre premiu. Chimistul a promis că cu siguranță va sărbători premiul alături de echipa și studenții lui.

„A fost un șoc mare, cu greu credeam că funcționează”, a spus el, întrebat de același jurnalist despre reacția la prima mașină moleculară funcțională. Chimistul a explicat că dezvoltarea mașinilor moleculare îi va ajuta pe medici să folosească în viitor microroboți pentru a livra medicamente în locul potrivit din corp, precum și pentru a căuta celule canceroase și alte sarcini. De asemenea, a povestit cum i-a venit ideea de a crea mașini moleculare.

Model de mașină moleculară Feringhi

„Am început prin a inventa comutatoare – am vrut să creăm comutatoare moleculare care să poată fi comutate de la starea zero la starea unu folosind lumină.

Acesta a fost începutul creării motoarelor noastre de mărime nanometrică, iar când reușiți să le creați, vă puteți gândi deja la alte mecanisme de transport și mișcare”, a adăugat Feringa.

Primul pas către crearea mașinilor moleculare a fost făcut în 1983 de Jean-Pierre Sauvage, când a unit două molecule inelare, formând un lanț numit catenan.

În mod normal, moleculele sunt conectate prin legături covalente puternice în care atomii fac schimb de electroni, dar atunci când sunt legați mecanic într-un lanț, legătura devine mai slăbită.

Următorul impuls în dezvoltare a fost dat de dezvoltarea rotaxanilor de către Fraser Stoddart - compuși constând dintr-o axă moleculară și o moleculă inelă „pusă” pe ea. Omul de știință a arătat că această moleculă se poate mișca de-a lungul unei axe. Folosind rotaxani, Stoddart a creat un ascensor molecular, mușchi moleculari și un cip de computer molecular.

Bernard Feringa a fost primul care a dezvoltat un motor molecular. În 1999, a făcut ca o lamă a rotorului molecular să se rotească continuu într-o direcție. Folosind motoare moleculare, el a reușit să transforme cilindri de sticlă care erau de 10 mii de ori mai mari decât motorul în sine, iar mai târziu a proiectat un „nanocar”.

Motoarele moleculare se află acum în aproximativ aceeași etapă de dezvoltare ca și motoarele electrice în anii 1830, când oamenii de știință au proiectat roți care se roteau folosind pârghii și nu aveau idee că acest lucru va duce la trenuri electrice, mașini de spălat, uscător de păr și procesoare de bucătărie.

Motor molecular

Motoarele moleculare vor fi probabil folosite pentru a crea noi materiale, senzori și sisteme de economisire a energiei.

Anterior, cei mai mulți concurenți la premiul pentru chimie, conform Thomson Reuters, au fost George Church și Feng Zhan, care au reușit să editeze genomul șoarecelui și uman folosind sistemul CRISPR-Cas9. Acest sistem, care a fost inițial responsabil pentru dezvoltarea imunității dobândite în bacterii, s-a dovedit a fi potrivit pentru sarcini de inginerie genetică.

Pe lângă aceștia, Dennis Law, care a dezvoltat o metodă de detectare a ADN-ului fetal extracelular în plasma sanguină maternă, care va ajuta la diagnosticarea unor boli genetice, și Hiroshi Maeda și Yasuhiro Matsumura, care au descoperit efectul creșterii permeabilității și retenției pentru medicamentele macromoleculare, putea conta pe premiu.

Trei oameni de știință au primit un premiu pentru descoperiri revoluționare

Miercuri, 5 octombrie, la Stockholm, reprezentanții Academiei Regale de Științe Suedeze au anunțat decizia de a acorda Premiul Nobel pentru Chimie pentru 2016. Laureații au fost trei oameni de știință din diferite țări: francezul Jean-Pierre Sauvage de la Universitatea din Strasbourg, originarul din Scoția Sir J. Fraser Stoddart de la Universitatea Northwestern (Illinois, SUA) și Bernard L. Feringa de la Universitatea din Groningen (Olanda). ).

Formularea premiului este: „pentru proiectarea și sinteza mașinilor moleculare”. Laureații din acest an au contribuit la miniaturizarea tehnologiei care ar putea fi revoluționară. Sauvage, Stoddart și Feringa nu numai că au miniaturizat mașinile, ci au dat și chimiei o nouă dimensiune.

Potrivit unui comunicat de presă al Academiei Regale de Științe Suedeză, profesorul Jean-Pierre Sauvage a făcut primul pas către o mașină moleculară în 1983, când a legat cu succes două molecule în formă de inel pentru a forma un lanț cunoscut sub numele de catenan. Moleculele sunt în mod normal ținute împreună prin legături covalente puternice în care atomii împart electroni, dar în acest lanț sunt uniți printr-o legătură mecanică mai slabă. Pentru ca o mașină să îndeplinească o sarcină, aceasta trebuie să fie compusă din părți care se pot mișca unele față de altele. Două inele conectate îndeplinesc pe deplin această cerință.

Al doilea pas a fost făcut de Fraser Stoddart în 1991 când a dezvoltat rotaxanul (un tip de structură moleculară). El a introdus un inel molecular într-o axă moleculară subțire și a arătat că acest inel se poate mișca de-a lungul axei. Rotaxanii stau la baza unor astfel de evoluții precum elevatorul molecular, mușchiul molecular și cipul computerizat bazat pe molecule.

Iar Bernard Feringa a fost prima persoană care a dezvoltat un motor molecular. În 1999, a obținut o lamă de rotor moleculară care se rotește constant într-o direcție. Folosind motoare moleculare, el a rotit un cilindru de sticlă care era de 10 mii de ori mai mare decât motorul, iar omul de știință a dezvoltat și un nanocar.

Interesant este că laureații din 2016 nu au „strălucit” în mod deosebit în diversele liste de favorite care apar în fiecare an în ajunul „Săptămânii Nobel”.

Printre cei cărora mass-media le-a prezis un premiu în chimie în acest an se numără, de exemplu, George M. Church și Feng Zhang (ambele care lucrează în SUA) pentru utilizarea editării genomului CRISPR-cas9 în celulele umane și de șoarece.

De asemenea, pe lista favoriților a fost și savantul din Hong Kong Dennis Lo (Dennis Lo Yukming) pentru descoperirea ADN-ului fetal fără celule în plasma continentală, care a revoluționat testarea prenatală non-invazivă.

Au fost menționate și numele oamenilor de știință japonezi - Hiroshi Maeda și Yasuhiro Matsamura (pentru descoperirea efectului creșterii permeabilității și reținerii medicamentelor macromoleculare, care este o descoperire cheie pentru tratamentul cancerului).

În unele surse se putea găsi numele chimistului Alexander Spokoiny, care s-a născut la Moscova, dar după ce familia sa s-a mutat în America, a trăit și a lucrat în SUA. El este numit „steaua în devenire a chimiei”. Apropo, singurul laureat al Premiului Nobel sovietic pentru chimie a fost academicianul Nikolai Semenov în 1956 - pentru dezvoltarea teoriei reacțiilor în lanț. Majoritatea beneficiarilor acestui premiu sunt oameni de știință din Statele Unite. Oamenii de știință germani sunt pe locul doi, oamenii de știință britanici pe locul trei.

Premiul pentru Chimie poate fi numit „cel mai Nobel dintre Nobel”. La urma urmei, omul care a fondat acest premiu, Alfred Nobel, a fost tocmai un chimist, iar în Tabelul Periodic al Elementelor Chimice, nobeliul se află lângă mendeleviu.

Decizia de a acorda acest premiu este luată de Academia Regală Suedeză de Științe. Din 1901 (pe atunci primul beneficiar în domeniul chimiei a fost olandezul Jacob Hendrik van't Hoff) până în 2015, Premiul Nobel pentru Chimie a fost acordat de 107 ori. Spre deosebire de premii similare din domeniul fizicii sau medicinei, a fost acordat mai des unui singur laureat (în 63 de cazuri), mai degrabă decât mai multor deodată. Cu toate acestea, doar patru femei au devenit laureate la chimie - printre ele Marie Curie, care a primit și Premiul Nobel pentru Fizică, și fiica ei Irene Joliot-Curie. Singura persoană care a primit de două ori un Nobel chimic a fost Frederick Sanger (1958 și 1980).

Cel mai tânăr laureat a fost Frédéric Joliot, în vârstă de 35 de ani, care a primit premiul în 1935. Iar cel mai în vârstă a fost John B. Fenn, căruia i s-a acordat Premiul Nobel la vârsta de 85 de ani.

Anul trecut, Thomas Lindahl (Marea Britanie) și doi oameni de știință din SUA, Paul Modrich și Aziz Sancar (nativ din Turcia), au devenit laureați ai Nobel pentru chimie. Premiul le-a fost acordat pentru „studii mecanice ale reparării ADN-ului”.

Câștigătorii Premiului Nobel pentru Chimie 2016 au fost anunțați astăzi. „Pentru proiectarea și sinteza mașinilor moleculare” trei chimiști vor primi un total de 58 de milioane de ruble - Jean-Pierre Sauvage (Franța), Sir Fraser Stoddart (SUA) și Bernard Feringa (Olanda). Viața vorbește despre ce sunt mașinile moleculare și de ce creația lor merită un premiu științific atât de prestigios.

Ce este o mașină în înțelegerea cea mai generală a acestui termen? Acesta este un dispozitiv adaptat pentru anumite operațiuni, capabil să le efectueze „în schimb” cu combustibil. Mașina poate roti, ridica sau coborî orice obiect și poate chiar acționa ca o pompă.

Dar cât de mică poate fi o astfel de mașină? De exemplu, unele părți ale mecanismelor ceasului arată foarte mici - ar putea fi ceva mai mic? Da cu siguranta. Metodele fizice fac posibilă tăierea unui angrenaj cu un diametru de câteva sute de atomi. Acesta este de sute de mii de ori mai mic decât un milimetru familiar de conducătorii școlii. În 1984, laureatul Nobel Richard Feynman i-a întrebat pe fizicieni cât de mic ar putea fi un mecanism cu părți mobile.

Feynman s-a inspirat din exemple din natură: flagelii bacteriilor, care permit acestor organisme minuscule să se miște, se rotesc datorită unui complex format din mai multe molecule de proteine. Dar poate o persoană să creeze așa ceva?

Mașinile moleculare, constând probabil dintr-o singură moleculă, par a fi ceva din science fiction. De fapt, abia recent am învățat să manipulăm atomii (un celebru experiment IBM a avut loc în 1989) și să lucrăm cu molecule simple, staționare. Pentru a face acest lucru, fizicienii creează instalații uriașe și depun eforturi incredibile. Cu toate acestea, chimiștii au găsit o modalitate de a crea chintilioane de astfel de dispozitive simultan. El a fost cel care a devenit subiectul Premiului Nobel 2016.

Principala problemă în crearea unei mașini care constă dintr-o singură moleculă este legătura chimică. Este ceea ce leagă toți atomii unei molecule împreună care o împiedică să aibă părți în mișcare. Pentru a rezolva această contradicție, chimiștii au „inventat” un nou tip de legătură - mecanică.

Cum arată moleculele legate mecanic? Să ne imaginăm o moleculă mare, ai cărei atomi sunt aranjați într-un inel. Dacă trecem un alt lanț de atomi prin el și, de asemenea, îl închidem într-un inel, vom obține o particulă care nu poate fi împărțită în două inele fără a rupe legăturile chimice. Se pare că din punct de vedere chimic, aceste inele sunt conectate, dar nu există o legătură chimică reală între ele. Apropo, această construcție se numea catenan, din latină catena- lanț. Numele reflectă faptul că astfel de molecule sunt ca niște verigi dintr-un lanț conectat între ele.

Laureatul din Franța, Jean-Pierre Sauvage, a primit premiul în mare parte pentru munca sa inovatoare privind metodele de sinteză a catenanelor. În 1983, un om de știință și-a dat seama cum astfel de molecule ar putea fi produse în mod intenționat. Nu a fost primul care a sintetizat catenan, dar metoda de sinteză a șablonului pe care a propus-o este încă folosită în lucrările moderne.

Există o altă clasă de compuși înrudiți mecanic numiți rotaxani. Moleculele unor astfel de compuși constau dintr-un inel prin care este trecut un lanț de atomi. La capetele acestui lanț, chimiștii plasează „dopi” speciale care împiedică alunecarea inelului de pe lanț. Ele au fost ocupate de un alt laureat al Premiului Nobel anul acesta, Sir James Fraser Stoddart. Apropo, Stoddart, născut în Scoția, deține titlul de Knight Bachelor. El a fost numit cavaler de însăși Regina Elisabeta a II-a pentru munca sa asupra sintezei organice. Totuși, Stoddart lucrează acum în SUA, la Universitatea Northwestern.

În aceste clase de compuși, fragmentele individuale se pot mișca liber unul față de celălalt. Inelele de catenane se pot roti liber unul față de celălalt, iar inelul de pe rotaxan poate aluneca de-a lungul lanțului. Acest lucru îi face candidați buni pentru mașinile moleculare de care Feynman a devenit interesat. Cu toate acestea, pentru ca aceste structuri să poată fi numite așa, este necesar să se obțină încă un lucru din ele - controlabilitatea.

În special pentru aceasta, chimiștii au folosit ideile de bază ale electrostaticei: dacă faceți unul dintre inele încărcate, iar pe al doilea inel (sau lanț) plasați fragmente care își pot schimba încărcătura sub influența influențelor externe, atunci puteți face inelul. respingeți dintr-o zonă a inelului (sau lanțului) și mutați-vă în alta. În primele experimente, oamenii de știință au învățat să forțeze mașinile moleculare să efectueze astfel de operațiuni folosind influențe chimice. Următorul pas a fost utilizarea luminii, a impulsurilor electrice și chiar a căldurii în aceleași scopuri - aceste metode de transfer a „combustibilului” au făcut posibilă accelerarea funcționării mașinilor.

Mențiune specială merită lucrarea celui de-al treilea laureat, Bernard Feringa. Chimistul olandez a reușit să se descurce fără molecule legate mecanic. În schimb, omul de știință a găsit o modalitate de a face moleculele unui compus care conține legături chimice tradiționale să se rotească. În 1999, Feringa a demonstrat o moleculă care arăta ca două lame conectate între ele. Fiecare dintre aceste lame a încercat să se împingă una de cealaltă, iar forma lor asimetrică făcea avantajoasă să se rotească într-o singură direcție, ca și cum ar fi un clichet pe „axa” dintre aceste lame.

Pentru a face ca molecula să funcționeze ca un rotor, a fost suficient să strălucească pur și simplu lumină ultravioletă asupra ei. Lamele au început să se rotească unele față de altele într-o direcție strict specificată. Mai târziu, chimiștii chiar și-au atașat astfel de molecule de rotor la o particulă uriașă (în comparație cu rotorul însuși) și astfel l-au făcut să se rotească. Apropo, viteza de rotație a unui rotor liber poate atinge zeci de milioane de rotații pe secundă.

Cu aceste trei molecule simple, chimiștii au reușit să creeze o mare varietate de mașini moleculare. Unul dintre cele mai frumoase exemple este „mușchiul” molecular, care este un hibrid ciudat de catenan și rotaxan. Când este expus la substanțe chimice (adăugând săruri de cupru), „mușchiul” se contractă cu doi nanometri.

O altă variantă a unei mașini moleculare este un „lift” sau lift. A fost introdus în 2004 de către grupul lui Stoddart pe baza de rotaxani. Dispozitivul permite ca suportul molecular să fie ridicat și coborât cu 0,7 nanometri, producând o forță „perceptibilă” de 10 picopascali.

În 2011, Feringa a arătat conceptul unei „mașini” moleculare cu patru rotoare, capabilă să conducă sub influența impulsurilor electrice. „Nanomașina” nu numai că a fost construită, dar și funcționalitatea ei a fost confirmată: fiecare revoluție a rotoarelor a schimbat ușor poziția moleculei în spațiu.

Deși aceste dispozitive par interesante, este necesar să ne amintim că una dintre cerințele Nobel pentru laureații a fost importanța descoperirilor pentru știință și umanitate. Parțial la întrebarea „de ce este nevoie de acest lucru?” a răspuns Bernard Feringa când a fost informat despre premiu. Potrivit chimistului, având astfel de mașini moleculare controlate, devine posibil să se creeze nanoroboți medicali. „Imaginați-vă roboți minusculi pe care medicii viitorului i-ar putea introduce în vene și le-ar putea direcționa să caute celule canceroase.” Omul de știință a remarcat că a simțit același lucru pe care probabil l-au simțit frații Wright după primul lor zbor, când oamenii i-au întrebat de ce ar putea fi nevoie de mașini zburătoare.