Кіріспе

Молекулалық масштабтағы жасанды немесе биологиялық құрылғы. Молекулалық машиналар – белгілі бір күштерге жауап ретінде механикалық қозғалыстар жасауға арналған дискретті молекулалық компоненттер жиынтығы болып сипатталатын молекулалар класы, олар коммутаторлар мен моторлар сияқты макромолекулалық құрылғыларды имитациялайды. Табиғи немесе биологиялық молекулалық машиналар ДНҚ көшірмесі және АТФ синтезі сияқты өмірлік маңызды процестерге жауапты. Кинезиндер мен рибосомалар молекулалық машиналардың мысалдары болып табылады және көбінесе көп протеиндік кешендер түрінде кездеседі. Соңғы ондаған жылдар бойы ғалымдар макроскопиялық әлемдегі машиналарды кішірейтуге әртүрлі деңгейде сәттілікпен тырысып келеді. Жасанды молекулалық машинаның (АММ) алғашқы мысалы 1994 жылы хабарланды, ол сақинасы және екі түрлі байланыс орны бар ротаксенді қамтыды. 2016 жылы химия саласындағы Нобель сыйлығы Жан-Пьер Сауваж, сэр Дж. Фрейзер Стоддарт және Бернард Л. Ферингаға молекулалық машиналарды жобалау және синтездеуі үшін берілді. АММ соңғы ондаған жылдарда қарқынды дамыды және олардың жобалау принциптері, қасиеттері және сипаттау әдістері жақсырақ сипатталды. АММ-ді жобалаудың маңызды бастапқы нүктесі – молекулалардағы айналу сияқты қозғалыс түрлерін пайдалану, мысалы, бір байланыс бойынша айналу немесе цис-транс изомеризация. Әртүрлі АММ түрлері әртүрлі функционалдық мүмкіндіктерді қосу арқылы жасалады, мысалы, коммутаторлар жасау үшін екі тұрақтылықты енгізу. Әртүрлі қасиеттері мен қолданыстары бар кең ауқымды АММ жобаланды, олардың кейбіреулері молекулалық моторлар, коммутаторлар және логикалық қақпаларды қамтиды. АММ-нің кең ауқымды қолданыстары көрсетілді, оның ішінде полимерлік, сұйық кристалдық және кристалл жүйелеріне интеграцияланғандары әртүрлі функцияларды орындайды (мысалы, материалдарды зерттеу, гомогенді катализ және беттік химия).

Терминология

Бірнеше анықтамалар "молекулалық машинаны" молекулалар класы ретінде сипаттайды, әдетте, белгілі бір тітіркендіргіштерге жауап ретінде механикалық қозғалыстарды жасауға арналған дискретті молекулалық компоненттердің жиынтығы ретінде түсіндіріледі. Бұл термин көбінесе макроскопиялық деңгейде жүретін функцияларды имитациялайтын молекулаларға да қолданылады. Молекулалық машиналар, қозғалыс тудыратын басқа тітіркендіргіштерге жауап беретін қосылыстардан (мысалы, цис-транс изомерлер) қозғалысының салыстырмалы үлкен амплитудасымен (химиялық реакциялар нәтижесінде болуы мүмкін) және қозғалысты реттеу үшін нақты сыртқы тітіркендіргіштің болуымен ерекшеленеді (рандомды термиялық қозғалыспен салыстырғанда). Сыртқы тітіркендіргіштердің әсерінен қозғалыс тудыратын пьезоэлектрлік, магнитостриктивтік және басқа да материалдар, әдетте, осы анықтамаға кірмейді, себебі қозғалыстың молекулалық тегіне қарамастан, олардың әсері молекулалық деңгейде қолданылмайды. Бұл анықтама көбінесе табиғи биологиялық молекулалық машиналардан (сондай-ақ "наномашиналар" деп те аталады) тарихи шабыт алған синтетикалық молекулалық машиналарға қатысты. Биологиялық машиналар – бұл тірі жүйедегі энергияның әртүрлі түрлерін механикалық жұмысқа айналдыратын, клеткаішілік тасымалдау, бұлшықет жиырылуы, АТФ генерациясы және клетканың бөлінуі сияқты маңызды биологиялық процестерді қамтамасыз ететін наномасштабты құрылғылар (мысалы, молекулалық ақуыздар).

Жасанды молекулалық машиналар

Соңғы бірнеше ондаған жылдар ішінде АЖМ-дар (жасанды молекулалық машиналар) тез әртараптанды және олардың жобалау принциптері нақтырақ айқындалды. АММ-ді жобалаудың маңызды бастауы – молекулалардағы қозғалыс түрлерін пайдалану, мысалы, металлоцен кешендерінде кездесетіндей. Стилбен және азобензол бірліктерінен тұратын көптеген конструкцияларда көрініп тұрғандай, цис-транс изомеризацияға ұшырайтын қос байланыстарды енгізу арқылы бүгілуге немесе V тәрізді пішінге қол жеткізуге болады. Бұл изомеризация белгілі бір стимулға (әдетте, сәйкес толқын ұзындығымен сәулелендіруге) жауап ретінде жүреді. Сол сияқты, спиропиран және диарилетен үшін байқалатын сақина ашылу және жабылу реакциялары да қисық пішіндерді тудырады. Қозғалыстың тағы бір жиі кездесетін түрі – механикалық түрде байланысқан молекулаларда (негізінен катенендерде) сақиналардың бір-біріне қатысты айналуы. Бұл айналу молекуланың ішінде ғана жүреді (сақиналар бір-бірімен шектеледі), ал ротаксандар сақиналардың гантель тәрізді ось бойымен трансляциялық қозғалысын жүзеге асыру арқылы бұл шектеуді жеңе алады. АММ-нің тағы бір түрі – ДНК және ақуыздар сияқты биомолекулаларды құрамына енгізу арқылы жасалады, бұл ақуыз бүктелуі және жазылуы сияқты құбылыстарды пайдаланады. Суретте жасанды молекулалық машиналардың қарапайым құрамдас бөліктерінде байқалатын қозғалыс түрлері көрсетілген: а) металлоцендер сияқты бір байланыс айналымы және сэндвич тәрізді құрылымдар; b) цис-транс изомеризациядан туындаған бүгілу; c) ротаксандағы гантель тәрізді ось бойымен сақинаның трансляциялық қозғалысы; d) катенендегі байланысқан сақиналардың айналуы. АММ жобалары саланың алғашқы кезеңдерінен бері айтарлықтай дамыды. Маңызды бағыт – молекулалық коммутаторларды жасау үшін бистабильділікті енгізу, олар екі түрлі конфигурация арасында өзгеруге қабілетті. Бұл бастапқы молекулалық шаттлдан алға қадам болып табылады, ол сақинаның екі бірдей орын арасында қозғалуына мүмкіндік берді, бұл алмастырылмаған циклогексан сақинасындағы сақина ауысуына ұқсас. Егер бұл екі орын электрондық тығыздық сияқты қасиеттері бойынша өзгеше болса, бұл биологиялық жүйелердегідей әлсіз немесе күшті тану орындарын тудыруы мүмкін. Мұндай АММ-дер катализ және дәрі-дәрмектерді жеткізуде қолданылады. Бұл коммутациялық қасиеттер одан әрі оңтайландырылды, нәтижесінде, коммутатор бастапқы күйіне оралғанда жоғалатын пайдалы жұмыс алынады. Табиғи процестерде жұмыс жасау үшін кинетикалық бақылауды пайдаланудан шабыттанған молекулалық қозғалтқыштар жұмыс істеу үшін оларды тепе-теңдіктен алшақтату үшін үздіксіз энергия ағынымен жабдықталады. Алайда, бұл химиялық отынды жеткізу және биологиялық жүйелердегідей машинаның тиімділігін сақтау үшін туындайтын қалдықтарды жою мәселесін тудырады. Кейбір АММ-дер бұл мәселені шешудің жолдарын тапса да, соңғы уақытта электрондық алмасу немесе изомеризацияға негізделген қалдықсыз реакциялар (мысалы, редокс-сезімтал виогендер) көбірек назар аударуда. Соңында, энергияның әртүрлі түрлері (электрлік, магниттік, оптикалық және т.б.) АММ-ді қуаттандыру үшін негізгі энергия көздеріне айналды, тіпті жарықпен басқарылатын қозғалтқыштар сияқты автономды жүйелерді жасауға мүмкіндік берді.

Биологиялық молекулалық машиналар

Ең күрделі макромолекулалық машиналар жасушалардың ішінде, көбінесе көп протеиндік кешендер түрінде кездеседі. Биологиялық машиналардың маңызды мысалдары – бұлшық еттердің жиырылуына жауапты миозин, микротүтіктер арқылы жасушалар ішіндегі жүкті ядродан алыстататын кинезин және жасушалар ішіндегі жүкті ядроға қарай жылжытатын, сондай-ақ қозғалмалы кірпікшелер мен қамшылардың (flagella) әрекетін қамтамасыз ететін динеин сияқты моторлы ақуыздарды қамтиды. “[І]с жүзінде, [қозғалмалы кірпікше] – бұл 600-дан астам ақуыздан тұратын наномашина, олардың көптегені де наномашина ретінде тәуелсіз жұмыс істейді. Икемді байланыстырғыштар олармен байланысқан жылдам ақуыз домендеріне байланысу серіктестерін тартуға және ақуыз домендерінің динамикасы арқылы ұзақ қашықтықтағы аллостерияны тудыруға мүмкіндік береді”. Басқа биологиялық машиналар энергия өндіруге жауапты, мысалы, АТФ синтетазасы – жасушаның энергия валютасы АТФ синтездеу үшін қолданылатын турбина тәрізді қозғалысты қамтамасыз ету үшін мембраналар арқылы протон градиенттерінен энергияны пайдаланады. Ген экспрессиясына басқа да машиналар жауапты, соның ішінде ДНК-ны көшіретін ДНК полимеразалары, мРНҚ-ны өндіретін РНҚ полимеразалары, интронтарды алып тастайтын сплайцесома және ақуыздарды синтездейтін рибосома. Бұл машиналар мен олардың наноөлшеміндегі динамикасы әзірге жасанды түрде құрастырылған молекулалық машиналардан әлдеқайда күрделі. Биологиялық машиналар наномедицинада қолдануға ие. Мысалы, олар қатерлі жасушаларды анықтап, жоюға қолданылуы мүмкін. Молекулалық нанотехнология – бұл нанотехнологияның молекулалық құрастырғыштарды, яғни молекулалық немесе атомдық деңгейде материяны қайта құрастыра алатын биологиялық машиналарды жасау мүмкіндігін зерттейтін болжамдық саласы. Наномедицина осы нанороботтарды, денеге енгізіп, зақымдануларды және инфекцияларды жөндеу немесе анықтау үшін пайдалануды көздейді, бірақ олар қазіргі мүмкіндіктерден асып түседі деп есептеледі.

Ғылыми-зерттеу және қолдану

Күрделі молекулалық машиналардың құрастырылуы теориялық және эксперименттік зерттеулердің белсенді саласы болып табылады. Бүгінде әртүрлі АММ түрлері белгілі болғанымен, осы молекулаларды эксперименттік зерттеулер оларды құрастыру әдістерінің жетіспеуінен шектеледі. Осы контексте теориялық модельдеу осы жүйелердегі өздігінен құрастыру немесе ыдырау процестерін түсіну үшін маңызды құрал ретінде пайда болды. АММ-нің кең ауқымы қолданылған, оның ішінде полимерлік, сұйық кристалдық және кристалл жүйелерге әртүрлі функциялар үшін интеграцияланғандары да бар. Гомогенді катализ – аса маңызды мысал, әсіресе асимметриялық синтез, ковалентті емес өзара әрекеттесулер және биомиметикалық аллостериялық катализ салаларында. АММ-лер 2D және 3D өздігінен құрастырылатын материалдар және нанобөлшектерге негізделген жүйелер сияқты, 3D-басылымнан дәрі-дәрмектерді жеткізуге дейінгі көптеген қолданбалар үшін ынталандыруға жауап беретін ақылды материалдарды жобалауда маңызды рөл атқарды. АММ-лер дәстүрлі ерітінді фазалық химиядан беттер мен интерфейстерге қарай біртіндеп өтіп жатыр. Мысалы, АММ бекітілген беттер (AMMIS) – бұл АММ-дердің инертті емес беттерге бекітілуінен тұратын функционалдық материалдардың жаңа класы, олар өздігінен құрастырылған моноқабаттар сияқты құрылымдарды қалыптастырады; бұл флуоресценция, агрегация және дәрі-дәрмектерді босату белсенділігі сияқты реттелетін қасиеттерге әкеледі. Осы қолданбалардың көпшілігі әлі де концепциялық дәлелдеме деңгейінде және өнеркәсіптік масштабқа бейімделу үшін маңызды өзгерістерді қажет етеді. Макро масштабты қолданбаларды оңайлатудағы қиындықтар автономды жұмыс, машиналардың күрделілігі, машиналарды синтездеудегі тұрақтылық және жұмыс жағдайлары болып табылады.