Введение

Молекулярные машины – это класс молекул, обычно описываемых как сборка из дискретного числа молекулярных компонентов, предназначенная для создания механических движений в ответ на специфические стимулы, имитируя макромолекулярные устройства, такие как переключатели и двигатели. Естественные или биологические молекулярные машины отвечают за жизненно важные процессы, такие как репликация ДНК и синтез АТФ. Кинезины и рибосомы являются примерами молекулярных машин, и они часто представляют собой мультипротеиновые комплексы. На протяжении последних нескольких десятилетий ученые с разной степенью успеха пытались миниатюризировать машины из макроскопического мира. Первый пример искусственной молекулярной машины (AMM) был представлен в 1994 году и представлял собой ротаксан с кольцом и двумя различными возможными центрами связывания. В 2016 году Нобелевская премия по химии была присуждена Жан-Пьеру Саважу, сэру Дж. Фрейзеру Стоддарту и Бернарду Л. Феринге за разработку и синтез молекулярных машин. АММ быстро развивались в последние десятилетия, и их принципы проектирования, свойства и методы характеризации стали более четко определены. Важной отправной точкой для проектирования АММ является использование существующих видов движения в молекулах, таких как вращение вокруг одинарных связей или цис-транс-изомеризация. Различные АММ создаются путем введения различных функциональных возможностей, например, бистабильности для создания переключателей. Разработан широкий спектр АММ с различными свойствами и областями применения, включая молекулярные двигатели, переключатели и логические элементы. Для АММ продемонстрирован широкий спектр применений, включая интеграцию в полимерные, жидкокристаллические и кристаллические системы для различных функций (таких как исследования материалов, гомогенный катализ и химия поверхностей).

Терминология

Несколько определений описывают «молекулярную машину» как класс молекул, обычно представляемых как сборка из дискретного числа молекулярных компонентов, предназначенная для создания механических движений в ответ на конкретные стимулы. Этот термин часто в более широком смысле применяется к молекулам, которые просто воспроизводят функции, наблюдаемые на макроскопическом уровне. Молекулярные машины отличаются от других соединений, чувствительных к стимулам и способных производить движение (например, цис-транс-изомеров), большей амплитудой движения (потенциально благодаря химическим реакциям) и наличием чёткого внешнего стимула, регулирующего движение (в отличие от случайного теплового движения). Пьезоэлектрические, магнитостриктивные и другие материалы, создающие движение под воздействием внешних стимулов в макромасштабе, обычно не включаются в эту категорию, поскольку, несмотря на молекулярную природу движения, эффекты не применимы в молекулярном масштабе. Данное определение в основном относится к синтетическим молекулярным машинам, которые исторически вдохновлялись природными биологическими молекулярными машинами (также называемыми «наномашинами»). Биологические машины рассматриваются как наноустройства (например, молекулярные белки) в живой системе, преобразующие различные формы энергии в механическую работу для обеспечения ключевых биологических процессов, таких как внутриклеточный транспорт, сокращение мышц, генерация АТФ и деление клеток.

Молекулярные искусственные машины

За последние несколько десятилетий АММ (искусственные молекулярные машины) быстро диверсифицировались, и их принципы проектирования стали более четко определены. Основной отправной точкой для разработки АММ является использование существующих способов движения в молекулах, как, например, в металлоценовых комплексах. Сгибание или V-образные формы могут быть достигнуты путем включения двойных связей, которые могут подвергаться цис-транс изомеризации в ответ на определенные стимулы (обычно облучение подходящей длиной волны), что наблюдается в многочисленных конструкциях, состоящих из стилбеновых и азобензольных фрагментов. Аналогично, реакции раскрытия и закрытия кольца, такие как наблюдаемые для спиропирана и диарилитена, также могут создавать изогнутые формы. Другой распространенный способ движения – циркумротация колец относительно друг друга, как это наблюдается в механически взаимосвязанных молекулах (преимущественно катенанах). Хотя этот тип вращения не может быть реализован за пределами самой молекулы (поскольку кольца ограничены друг другом), ротаксаны преодолевают это ограничение, поскольку кольца могут совершать трансляционные движения вдоль оси, подобной гантели. Другое направление в разработке АММ связано с использованием биомолекул, таких как ДНК и белки, задействуя явления, такие как сворачивание и разворачивание белка. Некоторые распространенные типы движения, наблюдаемые в простых компонентах искусственных молекулярных машин: a) вращение вокруг одинарных связей и в сэндвичеподобных металлоценах; b) изгиб, вызванный цис-транс изомеризацией; c) трансляционное движение кольца вдоль оси ротаксана, напоминающей гантель; d) вращение взаимосвязанных колец в катенане. Конструкции АММ значительно диверсифицировались с момента появления этой области исследований. Важным направлением является введение бистабильности для создания молекулярных переключателей, обладающих двумя различными конфигурациями, между которыми молекула может переходить. Это рассматривается как шаг вперед по сравнению с оригинальным молекулярным шаттлом, который состоял из двух идентичных центров для перемещения кольца без какого-либо предпочтения, аналогично инверсии кольца в незамещенном циклогексане. Если эти два центра различаются по характеристикам, таким как плотность электронов, это может привести к слабым или сильным центрам распознавания, как в биологических системах – такие АММ находят применение в катализе и доставке лекарств. Это переключающее поведение было дополнительно оптимизировано для получения полезной работы, которая теряется при возврате типичного переключателя в исходное состояние. Вдохновленные использованием кинетического контроля для получения работы в природных процессах, молекулярные двигатели проектируются с непрерывным притоком энергии, чтобы удерживать их вдали от равновесия и выполнять работу. Однако это связано с проблемой практического регулирования подачи химического топлива и удаления образующихся отходов для поддержания эффективности машины, как в биологических системах. Хотя некоторые АММ нашли способы обойти это, в последнее время все большее внимание уделяется безотходным реакциям, основанным на переносе электронов или изомеризации (например, редокс-чувствительные виогены). В конечном итоге, различные формы энергии (электрическая, магнитная, оптическая и т. д.) стали основными источниками энергии для питания АММ, что позволило создать автономные системы, такие как двигатели, работающие на свете.

Биологические молекулярные машины

Наиболее сложные макромолекулярные машины находятся внутри клеток, часто в форме мультипротеиновых комплексов. Важными примерами биологических машин являются моторные белки, такие как миозин, ответственный за сокращение мышц, кинезин, который перемещает грузы внутри клеток от ядра вдоль микротрубочек, и динеин, который перемещает грузы внутри клеток к ядру и обеспечивает аксонемальное биение подвижных ресничек и жгутиков. "По сути, [подвижная ресничка] представляет собой наномашину, состоящую, возможно, из более чем 600 белков в молекулярных комплексах, многие из которых также функционируют независимо как наномашины. Гибкие линкеры позволяют подвижным белковым доменам, соединенным ими, рекрутировать свои связывающие партнеры и индуцировать аллостерию на больших расстояниях посредством динамики белковых доменов". Другие биологические машины отвечают за производство энергии, например, АТФ-синтаза, которая использует энергию протонных градиентов через мембраны для приведения в движение турбиноподобного механизма, используемого для синтеза АТФ – энергетической валюты клетки. Еще другие машины отвечают за экспрессию генов, включая ДНК-полимеразы для репликации ДНК, РНК-полимеразы для производства мРНК, сплайсосому для удаления интронов и рибосомы для синтеза белков. Эти машины и их наномасштабная динамика гораздо сложнее, чем любые молекулярные машины, которые были искусственно созданы на сегодняшний день. Биологические машины имеют потенциальное применение в наномедицине. Например, их можно использовать для выявления и уничтожения раковых клеток. Молекулярная нанотехнология – это спекулятивная область нанотехнологий, рассматривающая возможность создания молекулярных сборщиков, биологических машин, способных перестраивать материю в молекулярном или атомном масштабе. Наномедицина будет использовать этих нанороботов, вводимых в организм, для восстановления или обнаружения повреждений и инфекций, однако создание таких роботов считается значительно превосходящим современные возможности.

Исследования и применения

Строительство более сложных молекулярных машин является активной областью теоретических и экспериментальных исследований. Несмотря на то, что сегодня известно большое разнообразие АММ, экспериментальное изучение этих молекул затруднено из-за отсутствия методов их создания. В связи с этим теоретическое моделирование стало важнейшим инструментом для понимания процессов самосборки и распада в этих системах. Для АММ продемонстрирован широкий спектр применений, включая интеграцию в полимерные, жидкокристаллические и кристаллические системы для выполнения различных функций. Однородный катализ является ярким примером, особенно в таких областях, как асимметричный синтез, использующий нековалентные взаимодействия и биомиметический аллостерический катализ. АММ играют ключевую роль в разработке различных материалов с реакцией на внешние раздражители, таких как 2D- и 3D-самосборные материалы и системы на основе наночастиц, для универсальных применений, от 3D-печати до доставки лекарств. АММ постепенно переходят от традиционной химии растворов к поверхностям и интерфейсам. Например, поверхности, иммобилизованные АММ (AMMIS), представляют собой новый класс функциональных материалов, состоящих из АММ, прикрепленных к неорганическим поверхностям, формируя структуры, такие как самособирающиеся монослои, что обеспечивает возможность настройки свойств, таких как флуоресценция, агрегация и активность высвобождения лекарственных средств. Большинство этих применений пока находятся на уровне доказательства концепции и требуют существенных модификаций для адаптации к промышленному масштабу. Проблемы, связанные с масштабированием макроскопических применений, включают автономную работу, сложность машин, стабильность при синтезе машин и условия их эксплуатации.