Denník N

Nobelovku za chémiu dostali za najmenšie stroje na svete

Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa, traja laureáti tohtoročnej Nobelovej ceny za chémiu. Foto - nobelprize.org
Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa, traja laureáti tohtoročnej Nobelovej ceny za chémiu. Foto – nobelprize.org

Molekulové stroje sú zariadenia veľkosti rádovo nanometrov, ktoré dokážu premieňať chemickú energiu na pohyb a mechanickú silu. Tieto zariadenia vedci použili na zostrojenie umelých svalov, prepínačov či miniatúrnych molekulových motorov.

Čo sa vám zobrazí pred očami pod slovom „stroj“? Niekomu možno bager alebo kombajn, inému tlačiarenský či šijací stroj.

Pravdepodobne málokomu pri tomto pojme napadnú takzvané „molekulové stroje“, ktoré sú až tisíckrát tenšie než hrúbka ľudského vlasu. Nobelov výbor v stredu ocenil ich vývoj a dizajn. Ocenenie si odniesli traja laureáti: Jean-Pierre Sauvage, sir J. Fraser Stoddart a Bernard L. Feringa, za „dizajn a syntézu molekulových strojov“.

Prvý článok reťaze

Miniaturizácia technológií predstavuje veľký pokrok doby. Nevyhla sa tomu ani chémia, v ktorej oblasť vývoja molekulových strojov prerástla do veľmi populárneho samostatného odvetvia.

Jeho počiatok spustil výskum Jeana-Pierra Sauvagea z roku 1983, ktorého výsledkom bola molekula pripomínajúca reťaz. Proces prípravy tejto reťaze sa začal molekulou v tvare kruhu, ktorá bola schopná interagovať s atómom medi.

Keď sa k tomuto systému pridala ďalšia molekula v tvare polmesiaca, ktorá tiež interagovala s tým istým atómom medi, kruh a polmesiac sa vzájomne preplietli. Na vytvorenie reťaze zloženej z dvoch článkov bolo potrebné už iba uzavrieť molekulu v tvare polmesiaca do úplného kruhu a odobrať meď.

Príprava katénanu. Foto – nobelprize.org
Príprava katénanu. Foto – nobelprize.org

Výsledkom je útvar nazvaný katénan (z latinčiny catena – reťaz), ktorý pozmenil chápanie chemickej väzby. V bežných molekulách sú atómy prepojené takzvanými kovalentnými väzbami. Ak chcete od seba atómy odpojiť, musíte medzi nimi rozrušiť väzbu.

V prípade Sauveageovej molekulovej reťaze je však situácia iná. Jednotlivé články reťaze medzi sebou síce väzbu nemajú, no aby sme ich mohli od seba oddeliť, musíme prerušiť niektorú z kovalentných väzieb medzi atómami jedného z článkov.

Tento objav oživil výskum v oblasti takzvanej „topologickej chémie“, ktorá neskôr viedla k vzniku molekulových strojov. Neskôr sa vedcom podarilo vzájomne prepojiť až tri články reťaze či vytvoriť zložitejšie tvary, ako napríklad „trefoil knot“ (trojlístkový uzol – ako bežný uzol, no so spojenými koncami) alebo Solomonov uzol.

a) Trefoil uzol, symbol známy z keltských krížov, či Thorovho kladiva. b) Stoddartov trojnásobne prepletený katénan, c) Solomonov uzol. Foto - nobelprize.org
a) Trefoil uzol, symbol známy z keltských krížov či Thorovho kladiva; b) Stoddartov trojnásobne prepletený katénan; c) Solomonov uzol. Foto – nobelprize.org

Molekulový prsteň na osi

Ďalší krok vývoja molekulových strojov predstavuje výskum Škóta Frasera Stoddarta, ktorý momentálne pracuje na americkej Northwestern University. Jeho skupina ako prvá na svete (ešte v roku 1991) pripravila takzvaný rotaxán, teda molekulu zloženú z pomyselnej osi, pozdĺž ktorej rotuje prstenec.

Princíp, na ktorom funguje tento rotaxán, je pomerne jednoduchý. Os predstavuje lineárny reťazec poprepájaných atómov, ktorý obsahuje dve časti bohaté na elektróny. Prstenec je, naopak, ochudobnený o elektróny, preto sa na os ochotne nasunie. Keď vedci následne uzavreli štruktúru prstenca, nemohol sa z osi zosunúť.

Ak systému vedci dodali teplo, zvýšená energia spôsobila, že prstenec preskakoval medzi dvoma elektrónovo bohatými časťami osi. Už tri roky po príprave prvého rotaxánu dokázal Stoddart plne kontrolovať tieto pohyby prstenca.

Princíp prípravy rotaxánov. Foto - nobelprize.org
Princíp prípravy rotaxánov. Foto – nobelprize.org

Od roku 1994 výskum výrazne pokročil a Stoddart dokázal so svojimi študentmi a postdoktorandmi vyvinúť omnoho komplexnejšie systémy rotaxánov. Ide napríklad o molekulárny výťah (dokáže sa nadvihnúť o 0,7 nanometra) či dokonca umelý sval.

Napodobeninu skutočného svalu sa podarilo pripraviť aj Sauvageovi – v roku 2000 pripravil jeho výskumný tím navzájom prepletené slučky, ktoré sa dokázali naťahovať a sťahovať podobne ako živočíšny sval.

Molekulový motor a molekulové auto

Rotaxány našli neskôr využitie aj pri príprave molekulového motora – v ktorom sa pohyb a rotácia jednotlivých častí dá kontrolovať a prebieha len v jednom (alebo druhom) smere, podľa zmeny impulzu.

Prvý takýto molekulový motor pripravil tretí z dnes ocenených laureátov, Ben Feringa. Tento motor pozostával z dvoch vzájomne prepojených plochých organických látok, ktoré pôsobením svetla začali rotovať iba v jednom smere. Bolo to spôsobené tým, že každá z častí mala na okraji pripevnenú akúsi zarážku (pozostávajúcu z jedného uhlíka navyše), ktorá dovolila pohyb iba v jednom smere.

Ak došlo k pootočeniu jednej časti, zarážky sa dostali blízko k sebe a v štruktúre vzniklo napätie. To sa uvoľnilo až preklopením pretŕčajúcich častí molekúl cez seba. Jednotlivé časti plochých molekúl sa teda cez seba neustále preklápali, podobne, ako to prebieha pri otáčaní rapkáča.

Prinsíp molekulového motora. Foto - nobelprize.org
Princíp molekulového motora. Foto – nobelprize.org

Prvotný motor bol pomerne pomalý. Postupom času však dokázal Feringa a jeho skupina vyvinúť čoraz lepšie a rýchlejšie motory – v roku 2014 publikovali štúdiu o motore, ktorý vykonal 12 miliónov obrátok za sekundu.

Okrem toho sa im podarilo vyvinúť aj molekulové vozidlo alebo auto. Toto zariadenie obsahovalo podvozok tvorený jedným radom molekúl, na ktorého koncoch sa nachádzali štyri motory – tie slúžili ako kolesá. Keď sa motory začali otáčať, celý systém sa začal pohybovať v priestore. Ako to vyzeralo, si môžete pozrieť v nasledujúcom videu:

Pohyb molekulového auta. Zdroj – Youtube

Nástroj pre budúcnosť

Sauvageov, Stoddartov a Feringov výskum môže znieť pomerne abstraktne či bez momentálneho využitia. Môžeme si však byť istí, že tento výskum znamená omnoho viac ako výsledok hrania sa zvedavých vedcov. Už dnes sa vďaka nim podarilo pripraviť napodobeninu svalu či dokonca stroj, ktorý dokáže spájať jednotlivé aminokyseliny do peptidov.

Molekulové stroje sú nástrojom budúcnosti. Prvý raz ich predpovedal ešte svetoznámy Richard Feynman počas jednej zo svojich prednášok v roku 1984. Nemýlil sa, veda sa skutočne posunula vpred a molekulové stroje už existujú.

Stále sa však nachádzame v ére ich vzostupu a o niekoľko rokov nás pravdepodobne čaká odhalenie mnohých prípadov ich použitia v bežnom živote. Je možné, že sa ich vývoj bude aj naďalej uberať smerom k príprave miniatúrnych tranzistorov a počítačových čipov. Jeden prototyp s pamäťou 20 kB už Stoddart dokonca pripravil.

Do roku 2015 udelili spolu 107 Nobelových cien za chémiu, ktoré boli prerozdelené medzi 172 laureátov. Šesťdesiattrikrát udelili cenu iba jednému laureátovi, 23 dostali dvaja laureáti naraz, 21-krát ocenili troch laureátov naraz.

Ocenené boli zatiaľ štyri ženy – Marie Curie (1911), Irène Joliotová-Curie (1935), Dorothy Crowfootová Hodgkinová (1964) a Ada Yonathová (2009).

Priemerný vek laureáta ceny za chémiu je 58 rokov. Najmladší ocenený bol Frédéric Joliot (vek 35); najstarší John B. Fenn (vek 85). Frederick Sanger dostal za svoj život až dve ceny: v roku 1958 za objasnenie štruktúry bielkovín, najmä inzulínu, a v roku 1980 za štúdium nukleových kyselín.

Najčastejšie odvetvie chémie laureátov ceny za chémiu je biochémia (až 50 cien). Tento rok ju však udelili v oblasti „supramolekulovej chémie“ za vývoj molekulových strojov.

Minulý rok ju udelili Tomasovi Lindahlovi, Paulovi Modrichovi a Azizovi Sancarovi za „mechanistické štúdie opráv DNA“.

Nobelove ceny

Teraz najčítanejšie