Laureatët e Nobelit në kimi. Tre shkencëtarë morën çmimin Nobel në Kimi për krijimin e makinave molekulare

Çmimi Nobel për Kimi 2016 iu dha tre studiuesve: Jean-Pierre Sauvage nga Universiteti i Strasburgut, James Fraser Stoddart nga Universiteti Northwestern (SHBA) dhe Bernard Feringa nga Universiteti i Groningenit (Holandë) për shpikjen e makinave molekulare.

“Ahensorë, muskuj dhe motorë në miniaturë.

Këta shkencëtarë kanë krijuar molekula me lëvizje të kontrolluara që mund të kryejnë punë kur u aplikohet energjia”, tha Komiteti Nobel në një deklaratë.

Anëtarët e Komitetit të Nobelit gjatë prezantimit të laureatëve krahasuan shpikjen e makinave molekulare me zhvillimin e makinave në fillim të shekullit të 19-të, duke përfshirë zhvillimin e mëvonshëm të motorëve elektrikë, i cili u bë një nga fazat kryesore të revolucionit industrial. Pak minuta më vonë, Komiteti i Nobelit arriti të kapte një nga laureatët, Bernard Feringe.

"Nuk dija çfarë të thoja, ishte një surprizë e madhe," u përgjigj Feringa kur u pyet nga një gazetar suedez se cilat ishin fjalët e para të shkencëtarit kur mësoi për çmimin. Kimisti premtoi se do ta festonte patjetër çmimin me ekipin dhe studentët e tij.

“Ishte një tronditje e madhe, mezi e besoja se funksiononte,” tha ai kur u pyet nga i njëjti gazetar për reagimin ndaj makinës së parë molekulare që funksiononte. Kimisti shpjegoi se zhvillimi i makinerive molekulare do t'i ndihmojë mjekët në të ardhmen të përdorin mikrorobotët për të shpërndarë barnat në vendin e duhur në trup, si dhe për të kërkuar qelizat e kancerit dhe detyra të tjera. Ai tregoi gjithashtu se si i erdhi ideja e krijimit të makinave molekulare.

Modeli i makinës molekulare Feringhi

“Fillova me shpikjen e çelësave – ne donim të krijonim çelësa molekularë që mund të kalonin nga gjendja zero në gjendjen një duke përdorur dritën.

Ky ishte fillimi i krijimit të motorëve tanë me madhësi nanometër dhe kur të arrini t'i krijoni ata, tashmë mund të mendoni për mekanizma të mëtejshëm për transport dhe lëvizje, "shtoi Feringa.

Hapi i parë drejt krijimit të makinave molekulare u hodh në vitin 1983 nga Jean-Pierre Sauvage, kur ai bashkoi dy molekula unazore së bashku, duke formuar një zinxhir të quajtur katenan.

Normalisht, molekulat lidhen me lidhje të forta kovalente në të cilat atomet shkëmbejnë elektrone, por kur ato lidhen mekanikisht në një zinxhir, lidhja bëhet më e lirshme.

Shtysa tjetër në zhvillim u dha nga zhvillimi i rotaksaneve nga Fraser Stoddart - komponime që përbëhen nga një bosht molekular dhe një molekulë unazore "e vënë" mbi të. Shkencëtari tregoi se kjo molekulë mund të lëvizte përgjatë një boshti. Duke përdorur rotaksane, Stoddart krijoi një ashensor molekular, muskuj molekularë dhe një çip kompjuterik molekular.

Bernard Feringa ishte i pari që zhvilloi një motor molekular. Në vitin 1999, ai bëri që një teh molekular i rotorit të rrotullohej vazhdimisht në një drejtim. Duke përdorur motorë molekularë, ai ishte në gjendje të kthente cilindra qelqi që ishin 10 mijë herë më të mëdhenj se vetë motori, dhe më vonë projektoi një "nanocar".

Motorët molekularë janë tani pothuajse në të njëjtën fazë zhvillimi si motorët elektrikë në vitet 1830, kur shkencëtarët projektuan rrota që rrotulloheshin duke përdorur leva dhe nuk e kishin idenë se kjo do të çonte në trena elektrikë, makina larëse, tharëse flokësh dhe përpunues ushqimi.

Motori molekular

Motorët molekularë ka të ngjarë të përdoren për të krijuar materiale të reja, sensorë dhe sisteme të kursimit të energjisë.

Më parë, pretendentët më të shumtë për çmimin e kimisë sipas Thomson Reuters ishin George Church dhe Feng Zhan, të cilët arritën të redaktonin gjenomin e miut dhe njeriut duke përdorur sistemin CRISPR-Cas9. Ky sistem, i cili fillimisht ishte përgjegjës për zhvillimin e imunitetit të fituar në baktere, doli të ishte i përshtatshëm për detyrat e inxhinierisë gjenetike.

Përveç tyre, Dennis Law, i cili zhvilloi një metodë për zbulimin e ADN-së jashtëqelizore të fetusit në plazmën e gjakut të nënës, e cila do të ndihmojë në diagnostikimin e disa sëmundjeve gjenetike, dhe Hiroshi Maeda dhe Yasuhiro Matsumura, të cilët zbuluan efektin e rritjes së përshkueshmërisë dhe mbajtjes për barnat makromolekulare, mund të llogarisë në çmimin.

Tre shkencëtarë morën një çmim për zbulime revolucionare

Të mërkurën, më 5 tetor në Stokholm, përfaqësuesit e Akademisë Mbretërore Suedeze të Shkencave njoftuan vendimin për dhënien e çmimit Nobel në Kimi për vitin 2016. Laureatët ishin tre shkencëtarë nga vende të ndryshme: francezi Jean-Pierre Sauvage nga Universiteti i Strasburgut, me origjinë nga Skocia Sir J. Fraser Stoddart nga Universiteti Northwestern (Illinois, SHBA) dhe Bernard L. Feringa nga Universiteti i Groningenit (Holandë). ).

Formulimi i çmimit është: "për projektimin dhe sintezën e makinave molekulare". Të nderuarit e këtij viti kanë kontribuar në miniaturizimin e teknologjisë që mund të jetë revolucionare. Sauvage, Stoddart dhe Feringa jo vetëm miniaturizuan makinat, por i dhanë edhe një dimension të ri kimisë.

Sipas një njoftimi për shtyp nga Akademia Mbretërore Suedeze e Shkencave, Profesor Jean-Pierre Sauvage bëri hapin e parë drejt një makinerie molekulare në vitin 1983, kur ai lidhi me sukses dy molekula në formë unaze së bashku për të formuar një zinxhir të njohur si katenan. Molekulat zakonisht mbahen së bashku nga lidhje të forta kovalente në të cilat atomet ndajnë elektrone, por në këtë zinxhir ato bashkohen nga një lidhje mekanike më e lirë. Që një makinë të kryejë një detyrë, ajo duhet të përbëhet nga pjesë që mund të lëvizin në lidhje me njëra-tjetrën. Dy unaza të lidhura plotësojnë plotësisht këtë kërkesë.

Hapi i dytë u ndërmor nga Fraser Stoddart në 1991 kur ai zhvilloi rotaxane (një lloj strukture molekulare). Ai futi një unazë molekulare në një bosht të hollë molekular dhe tregoi se kjo unazë mund të lëvizte përgjatë boshtit. Rotaksanet janë baza për zhvillime të tilla si ashensori molekular, muskuli molekular dhe çipi kompjuterik i bazuar në molekula.

Dhe Bernard Feringa ishte personi i parë që zhvilloi një motor molekular. Në vitin 1999, ai mori një teh molekular të rotorit që rrotullohet vazhdimisht në një drejtim. Duke përdorur motorë molekularë, ai rrotulloi një cilindër xhami që ishte 10 mijë herë më i madh se motori, dhe shkencëtari gjithashtu zhvilloi një nanomakinë.

Është interesante që laureatët e vitit 2016 nuk "shkëlqyen" veçanërisht në listat e ndryshme të të preferuarave që shfaqen çdo vit në prag të "javës Nobel".

Midis atyre të cilëve mediat masive u parashikuan një çmim në kimi këtë vit janë, për shembull, George M. Church dhe Feng Zhang (të dy punojnë në SHBA) për përdorimin e redaktimit të gjenomit CRISPR-cas9 në qelizat e njeriut dhe të miut.

Gjithashtu në listën e të preferuarave ishte edhe shkencëtari nga Hong Kongu, Dennis Lo (Dennis Lo Yukming) për zbulimin e tij të ADN-së së fetusit pa qeliza në plazmën kontinentale, e cila revolucionarizoi testimin prenatal jo-invaziv.

U përmendën edhe emrat e shkencëtarëve japonezë - Hiroshi Maeda dhe Yasuhiro Matsamura (për zbulimin e efektit të rritjes së përshkueshmërisë dhe mbajtjes së barnave makromolekulare, që është një zbulim kyç për trajtimin e kancerit).

Në disa burime mund të gjendet emri i kimistit Alexander Spokoiny, i cili ka lindur në Moskë, por pasi familja e tij u transferua në Amerikë, ai jetoi dhe punoi në SHBA. Ai quhet "ylli në rritje i kimisë". Nga rruga, i vetmi laureat sovjetik i çmimit Nobel në kimi ishte akademiku Nikolai Semenov në 1956 - për zhvillimin e teorisë së reaksioneve zinxhir. Shumica e përfituesve të këtij çmimi janë shkencëtarë nga Shtetet e Bashkuara. Shkencëtarët gjermanë janë në vendin e dytë, shkencëtarët britanikë janë në vendin e tretë.

Çmimi i Kimisë mund të quhet "Nobeli më Nobel". Në fund të fundit, njeriu që themeloi këtë çmim, Alfred Nobel, ishte pikërisht një kimist, dhe në Tabelën Periodike të Elementeve Kimike, Nobelium ndodhet pranë Mendeleviumit.

Vendimi për dhënien e këtij çmimi është marrë nga Akademia Mbretërore Suedeze e Shkencave. Nga viti 1901 (atëherë marrësi i parë në fushën e kimisë ishte holandezi Jacob Hendrik van't Hoff) deri në vitin 2015, çmimi Nobel në Kimi u dha 107 herë. Ndryshe nga çmimet e ngjashme në fushën e fizikës apo mjekësisë, më shpesh i jepeshin një laureati (në 63 raste), sesa disave në të njëjtën kohë. Megjithatë, vetëm katër gra u bënë laureate në kimi - mes tyre Marie Curie, e cila gjithashtu kishte çmimin Nobel në Fizikë, dhe vajza e saj Irene Joliot-Curie. I vetmi person që mori dy herë një Nobel kimik ishte Frederick Sanger (1958 dhe 1980).

Marrësi më i ri ishte 35-vjeçari Frédéric Joliot, i cili mori çmimin në 1935. Dhe më i moshuari ishte John B. Fenn, i cili u nderua me çmimin Nobel në moshën 85-vjeçare.

Vitin e kaluar, Thomas Lindahl (Britania e Madhe) dhe dy shkencëtarë nga SHBA - Paul Modrich dhe Aziz Sancar (me origjinë nga Turqia) u bënë laureatë Nobel në kimi. Çmimi iu dha atyre për "studime mekanike të riparimit të ADN-së".

Sot janë shpallur fituesit e Çmimit Nobel për Kimi 2016. "Për projektimin dhe sintezën e makinave molekulare" tre kimistë do të marrin gjithsej 58 milionë rubla - Jean-Pierre Sauvage (Francë), Sir Fraser Stoddart (SHBA) dhe Bernard Feringa (Hollandë). Jeta flet se çfarë janë makinat molekulare dhe pse krijimi i tyre meriton një çmim kaq prestigjioz shkencor.

Çfarë është një makinë në kuptimin më të përgjithshëm të këtij termi? Kjo është një pajisje e përshtatur për operacione të caktuara, e aftë për t'i kryer ato "në këmbim" të karburantit. Makina mund të rrotullojë, ngrejë ose ulë çdo objekt dhe mund të veprojë edhe si një pompë.

Por sa e vogël mund të jetë një makinë e tillë? Për shembull, disa pjesë të mekanizmave të orës duken shumë të vogla - a mund të jetë diçka më e vogël? Po, patjetër. Metodat fizike bëjnë të mundur prerjen e një ingranazhi me një diametër prej disa qindra atomesh. Kjo është qindra mijëra herë më e vogël se një milimetër e njohur nga drejtuesit e shkollës. Në vitin 1984, laureati i Nobelit, Richard Feynman, i pyeti fizikanët se sa i vogël mund të ishte një mekanizëm me pjesë lëvizëse.

Feynman u frymëzua nga shembuj nga natyra: flagjelat e baktereve, të cilat lejojnë këta organizma të vegjël të lëvizin, rrotullohen falë një kompleksi të përbërë nga disa molekula proteinash. Por a mund të krijojë një person diçka të tillë?

Makinat molekulare, ndoshta të përbëra nga vetëm një molekulë, duken si diçka jashtë fantashkencës. Në fakt, vetëm kohët e fundit kemi mësuar të manipulojmë atomet (një eksperiment i famshëm i IBM-së ka ndodhur në 1989) dhe të punojmë me molekula të vetme, të palëvizshme. Për ta bërë këtë, fizikanët krijojnë instalime të mëdha dhe shpenzojnë përpjekje të jashtëzakonshme. Sidoqoftë, kimistët kanë gjetur një mënyrë për të krijuar kuintiliona pajisje të tilla menjëherë. Ishte ai që u bë subjekt i çmimit Nobel 2016.

Problemi kryesor në krijimin e një makine me një molekulë është lidhja kimike. Është ajo që lidh të gjithë atomet e një molekule së bashku që e pengon atë të ketë pjesë lëvizëse. Për të zgjidhur këtë kontradiktë, kimistët "shpikën" një lloj të ri lidhjeje - mekanike.

Si duken molekulat e lidhura mekanikisht? Le të imagjinojmë një molekulë të madhe, atomet e së cilës janë të vendosur në një unazë. Nëse kalojmë një zinxhir tjetër atomesh përmes tij dhe gjithashtu e mbyllim në një unazë, do të fitojmë një grimcë që nuk mund të ndahet në dy unaza pa shkëputur lidhjet kimike. Rezulton se nga pikëpamja kimike, këto unaza janë të lidhura, por nuk ka asnjë lidhje të vërtetë kimike mes tyre. Nga rruga, ky ndërtim u quajt catenan, nga latinishtja catena- zinxhir. Emri pasqyron faktin se molekula të tilla janë si hallka në një zinxhir të lidhur me njëra-tjetrën.

Laureati nga Franca, Jean-Pierre Sauvage, mori çmimin kryesisht për punën e tij zbuluese mbi metodat për sintezën e katenave. Në vitin 1983, një shkencëtar kuptoi se si molekula të tilla mund të prodhoheshin me qëllim. Ai nuk ishte i pari që sintetizoi katenanin, por metoda e sintezës së shabllonit që ai propozoi përdoret ende në veprat moderne.

Ekziston një klasë tjetër e përbërjeve të lidhura mekanikisht të quajtura rotaksane. Molekulat e komponimeve të tilla përbëhen nga një unazë përmes së cilës kalon një zinxhir atomesh. Në skajet e këtij zinxhiri, kimistët vendosin "priza" të veçanta që parandalojnë rrëshqitjen e unazës nga zinxhiri. Ata u trajtuan nga një tjetër laureat i Nobelit këtë vit, Sir James Fraser Stoddart. Nga rruga, Stoddart me origjinë skoceze mban titullin e Kalorësit Bachelor. Ai u shpall kalorës nga vetë Mbretëresha Elizabeth II për punën e tij në sintezën organike. Megjithatë, Stoddart tani punon në SHBA, në Universitetin Northwestern.

Në këto klasa të komponimeve, fragmentet individuale mund të lëvizin lirshëm në lidhje me njëri-tjetrin. Unazat e katenaneve mund të rrotullohen lirshëm në lidhje me njëra-tjetrën, dhe unaza në rotaxane mund të rrëshqasë përgjatë zinxhirit. Kjo i bën ata kandidatë të mirë për makinat molekulare për të cilat Feynman u interesua. Megjithatë, që këto struktura të quhen kështu, është e nevojshme të arrihet edhe një gjë prej tyre - kontrollueshmëria.

Sidomos për këtë, kimistët përdorën idetë themelore të elektrostatikës: nëse e bëni njërën nga unazat e ngarkuara, dhe në unazën e dytë (ose zinxhirin) vendosni fragmente që mund të ndryshojnë ngarkesën e tyre nën ndikimin e ndikimeve të jashtme, atëherë mund ta bëni unazën. zmbrapseni nga një zonë e unazës (ose zinxhirit) dhe kaloni në një tjetër. Në eksperimentet e para, shkencëtarët mësuan të detyrojnë makinat molekulare të kryejnë operacione të ngjashme duke përdorur ndikime kimike. Hapi tjetër ishte përdorimi i dritës, impulseve elektrike dhe madje edhe vetëm nxehtësisë për të njëjtat qëllime - këto metoda të transferimit të "karburantit" bënë të mundur përshpejtimin e funksionimit të makinave.

Veçanërisht meriton të përmendet puna e laureatit të tretë, Bernard Feringa. Kimisti holandez arriti të bëjë pa molekula të lidhura mekanikisht. Në vend të kësaj, shkencëtari gjeti një mënyrë për t'i bërë molekulat e një përbërjeje që përmban lidhje kimike tradicionale të rrotullohen. Në vitin 1999, Feringa demonstroi një molekulë që dukej si dy tehe të lidhura me njëra-tjetrën. Secila prej këtyre teheve u përpoq të largohej nga njëra-tjetra, dhe forma e tyre asimetrike e bënte të favorshme rrotullimin në vetëm një drejtim, sikur të kishte një arpion në "boshtin" midis këtyre teheve.

Për ta bërë molekulën të funksiononte si një rotor, mjaftonte që thjesht të ndriçohej drita ultravjollcë mbi të. Tehet filluan të rrotullohen në lidhje me njëra-tjetrën në një drejtim të specifikuar rreptësisht. Më vonë, kimistët madje i lidhën molekula të tilla të rotorit me një grimcë të madhe (në krahasim me vetë rotorin) dhe kështu e bënë atë të rrotullohej. Nga rruga, shpejtësia e rrotullimit të një rotori të lirë mund të arrijë dhjetëra miliona rrotullime në sekondë.

Me këto tre molekula të thjeshta, kimistët ishin në gjendje të krijonin një shumëllojshmëri të gjerë makinash molekulare. Një nga shembujt më të bukur është "muskuli" molekular, i cili është një hibrid i çuditshëm i katenanit dhe rotaksanit. Kur ekspozohet ndaj kimikateve (duke shtuar kripëra bakri), "muskuli" tkurret me dy nanometra.

Një variant tjetër i një makine molekulare është një "ashensor" ose ashensor. Ajo u prezantua në 2004 nga grupi i Stoddart bazuar në rotaxane. Pajisja lejon që jastëku molekular të ngrihet dhe të ulet me 0.7 nanometra, duke prodhuar një forcë "të perceptueshme" prej 10 picopascals.

Në vitin 2011, Feringa tregoi konceptin e një "makine" molekulare me katër rotor, e aftë për të ngarë nën ndikimin e impulseve elektrike. "Nanomakina" jo vetëm që u ndërtua, por u konfirmua edhe funksionaliteti i saj: çdo rrotullim i rotorëve në fakt ndryshoi pak pozicionin e molekulës në hapësirë.

Edhe pse këto pajisje duken interesante, është e nevojshme të kujtojmë se një nga kërkesat e Nobelit për laureatët ishte rëndësia e zbulimeve për shkencën dhe njerëzimin. Pjesërisht në pyetjen "pse është e nevojshme kjo?" u përgjigj Bernard Feringa kur u informua për çmimin. Sipas kimistit, duke pasur makina të tilla molekulare të kontrolluara, bëhet e mundur krijimi i nanorobotëve mjekësorë. "Imagjinoni robotë të vegjël që mjekët e së ardhmes mund t'i fusin në venat tuaja dhe t'i drejtojnë ata të kërkojnë qeliza kanceroze." Shkencëtari vuri në dukje se ai ndihej në të njëjtën mënyrë si vëllezërit Wright ndoshta ndiheshin pas fluturimit të tyre të parë, kur njerëzit i pyetën pse mund të duheshin fare makina fluturuese.