Nobelpristagare i kemi. Nobelpriset i kemi tilldelas för syntes av molekylära maskiner

Vinnarna av 2016 års Nobelpris i kemi var Jean-Pierre Sauvage från University of Strasbourg (Frankrike), Fraser Stoddart från Northwestern University (USA) och Bernard Feringa från University of Groningen (Holland). Det prestigefyllda priset delades ut "för design och syntes av molekylära maskiner" - individuella molekyler eller molekylära komplex som kan utföra vissa rörelser när de tillförs energi från utsidan. Ytterligare utveckling Detta område lovar genombrott inom många områden inom vetenskap och medicin.

Nobelkommittén hedrar regelbundet verk som, förutom vetenskapligt värde, har en viss extra lust. Till exempel, i upptäckten av grafen av Geim och Novoselov (se Nobelpriset i fysik - 2010, "Elements", 10/11/2010), förutom själva upptäckten och dess användning för att observera kvanthalleffekten vid rumstemperatur , det fanns anmärkningsvärda tekniska detaljer: skalande lager av grafit med enkel tejp. Shekhtman, som upptäckte kvasikristaller, hade en historia av vetenskaplig konfrontation med en annan respekterad nobelist - Pauling, som sa att "det finns inga kvasikristaller, men det finns kvasi-vetenskapsmän."

Inom området för molekylära maskiner, vid första anblicken, finns det ingen sådan höjdpunkt, förutom det faktum att en av pristagarna, Stoddart, har ett riddarskap (han är inte den första). Men i själva verket finns det fortfarande en viktig egenskap. Syntesen av molekylära maskiner är nästan det enda akademiska området organisk kemi, som kan kallas ren molekylär ingenjörskonst, där människor designar en molekyl från grunden och inte vilar förrän de får den. I naturen finns naturligtvis sådana molekyler (så här är vissa proteiner i organiska celler uppbyggda - myosin, kinesiner - eller till exempel ribosomer), men människor är fortfarande långt ifrån att nå en sådan komplexitetsnivå. Därför, för nu, är molekylära maskiner frukten av det mänskliga sinnet från början till slut, utan försök att imitera naturen eller förklara observerade naturfenomen.

Så, vi pratar om om molekyler där en del är kapabel att röra sig i förhållande till en annan på ett kontrollerat sätt - vanligtvis med hjälp av en del yttre påverkan och värme för att röra sig. För att skapa sådana molekyler kom Sauvage, Stoddard och Feringa på olika principer.

Sauvage och Stoddard gjorde mekaniskt sammanlänkade molekyler: katenaner - två eller flera sammanlänkade molekylära ringar som roterar i förhållande till varandra (Fig. 1), och rotaxaner - sammansatta molekyler av två delar, i vilka den ena delen (ringen) kan röra sig längs den andra (rak) bas ), med volymetriska grupper (proppar) längs kanterna så att ringen "inte flyger av" (Fig. 2).

Med användning av ovanstående koncept har "molekylära hissar", "molekylära muskler", olika molekylära topologiska strukturer av teoretiskt intresse och till och med en artificiell ribosom som mycket långsamt kan syntetisera korta proteiner skapats.

Feringhis tillvägagångssätt var fundamentalt annorlunda och mycket elegant (fig. 3). I Feringhis molekylmotor är de delar av molekylen som roterar i förhållande till varandra sammanlänkade inte mekaniskt, utan genom en verklig kovalent bindning - en kol-kol dubbelbindning. Rotation av grupper runt en dubbelbindning är omöjlig utan yttre påverkan. En sådan effekt kan vara bestrålning med ultraviolett ljus: bildligt talat bryter ultraviolett ljus selektivt en bindning till en dubbel, vilket tillåter rotation under en bråkdel av en sekund. I alla positioner är Feringhi-molekylen strukturellt ansträngd och dubbelbindningen är förlängd. Vid vändning följer molekylen det minsta motståndet och försöker hitta positionen med minst spänning. Hon misslyckas med detta, men i varje skede vänder hon nästan uteslutande åt ett håll.

En liknande motor med mindre modifieringar, som visades 2014, klarar av cirka 12 miljoner varv per sekund (J. Vachon et al., 2014. En ultrasnabb ytbunden fotoaktiv molekylär motor). Mest vacker användning Feringhi-motorn demonstrerades i en "nanomaskin" på ett guldsubstrat (Fig. 4). Fyra motorer, fästa som hjul till en lång molekyl, roterar i en riktning och "bilen" rör sig framåt.

I det här ögonblicket utveckling av en molekylär motor som kan aktiveras av synligt ljus istället för UV pågår. Med hjälp av en sådan motor kommer det att vara möjligt att omvandla solenergi till mekanisk energi på ett helt aldrig tidigare skådat sätt - förbi elektricitet.

I hans senaste arbete, publicerat i Journal of the American Chemical Society ( JACS), Feringa visade konstruktionen av en motor vars rotationshastighet kunde kontrolleras genom kemisk verkan, som visas i fig. 5. När en effektormolekyl (metalldiklorid - zink Zn, palladium Pd eller platina Pt) läggs till molekylmotorn ändrar den senare konformationen, vilket underlättar rotation. Mätningar visade att vid 20°C, av de tre testade effektorerna, roterar motorn snabbast med platina (med en frekvens på 0,13 Hz), något långsammare med palladium (0,035 Hz) och ännu långsammare med zink (0,009 Hz). Den maximala motorhastigheten utan effektor är 0,0041 Hz. Det observerade fenomenet bekräftades av kvantmekaniska beräkningar av motoriska strukturer med och utan effektorer. Beräkningarna visar hur konformationen förändras och hur mycket lättare rotationen är.

Sammanfattningsvis är det värt att säga att molekylära motorer ännu inte har hittat tillämpning i Vardagsliv, men nästan säkert är detta en tidsfråga och inom en snar framtid kommer vi att se deras aktiva användning.

Källor:
1) Nobelpriset i kemi 2016 - officiellt meddelande från Nobelkommittén.
2) Molekylära maskiner - detaljerad genomgång pristagarnas verk, utarbetade av Nobelkommittén.
3) Adele Faulkner, Thomas van Leeuwen, Ben L. Feringa och Sander J. Wezenberg. Allosterisk reglering av rotationshastigheten i en lättdriven molekylär motor // Journal of the American Chemical Society. 26 september 2016. V. 138 (41). S. 13597–13603. DOI: 10.1021/jacs.6b06467.

Grigory Molev

Vinnare av Nobelpriset i kemi: Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa och Fraser Stoddart

Tillkännagivande av Nobelpristagare i kemi

Moskva. 5 oktober. hemsida - Nobelpriset i kemi 2016 fick Jean-Pierre Sauvage, Bernard Feringa och Fraser Stoddart med formuleringen "för design och syntes av molekylära maskiner."

Sauvage är en fransk kemist som specialiserat sig på supramolekylär kemi. Detta är kemins område som studerar supramolekylära strukturer - sammansättningar som består av två eller flera molekyler som hålls samman genom intermolekylära interaktioner. Sauvage blev den första kemisten att syntetisera en förening från klassen av katenaner. Molekylerna av dessa ämnen består av två ringar kopplade till varandra; Denna typ av förbindelse kallas topologisk, förtydligar platsen N+1.

Illustration av en sträckande och sammandragande molekylär loopstruktur

Fraser Stoddart, en skotsk forskare som nu arbetar i USA, utökade listan över föreningar med liknande "icke-kemiska" bindningar genom att syntetisera rotaxan. Rotaxanmolekyler består av en lång kedja på vilken en ring är löst fäst. Tack vare två stora strukturer i ändarna av kedjan kan ringen inte "falla av" från den.

En molekylär överföring skapad av Stoddart som kan röra sig under kontroll längs axeln

Bernard Feringa, specialist inom området molekylär nanoteknik och homogen katalys, blev den första kemisten som utvecklade och syntetiserade en molekylär motor - en molekyl som under påverkan av ljus genomgick strukturella förändringar och började rotera som ett väderkvarnsblad i en strikt specificerad riktning. 1999, med hjälp av molekylära motorer, lyckades en forskare göra en glascylinder 10 tusen gånger större än storleken på motorerna att rotera.

Ett exempel på en molekylär maskin med fyra "hjul"

2015 var Nobelpristagarna i samma kategori svensken Thomas Lindahl, som arbetar i Storbritannien, och amerikanen Paul Modrich och den turkiskfödde vetenskapsmannen Aziz Sancar, som forskar i USA. Priset tilldelades dem för deras forskning om mekanismerna för DNA-reparation - en speciell funktion hos celler som består i förmågan att korrigera kemiska skador och brott i DNA-molekyler som uppstår under normal biosyntes eller som ett resultat av exponering för fysisk eller kemisk agenter.

Nobelpriset i kemi 2014 tilldelades amerikanerna Eric Betzig och William Moner och tysken Stefan Hell för deras bidrag till utvecklingen av superupplöst fluorescensmikroskopi.

Tidigare i veckan fick vinnarna av Nobelpriset i medicin (mottaget av den japanska forskaren Yoshinori Ohsumi) och Nobelpriset i fysik (vinnare var David Thoules, Duncan Haldane och Michael Kosterlitz för deras arbete med topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia ) blev känd.

Den enda ryske nobelpristagaren i kemi hittills var Nikolai Semenov (1896-1986) 1956, tillsammans med engelsmannen Cyril Hinshelwood, för sin forskning om mekanismen för kemiska reaktioner.

Nästa vinnare av Nobels fredspris tillkännages fredagen den 7 oktober.

Nobelpristagare 2016 får 8 miljoner svenska kronor (cirka 931 tusen dollar). Prisutdelningen kommer traditionsenligt att äga rum i Stockholm den 10 december, dagen för Nobelprisets grundare, svenske entreprenören och uppfinnaren Alfred Nobel (1833-1896).

2016 års Nobelpris i kemi har tilldelats forskarna Jean-Pierre Savage, Fraser Stoddart och Bernard Feringa för deras arbete med syntesen av "molekylära maskiner", meddelade Kungliga Vetenskapsakademien, som administrerar priset, i onsdags i Stockholm.

Nedan är pristagarnas biografier.

© AP Photo/Catherine Schroder

© AP Photo/Catherine Schroder

1971 tog han sin doktorsexamen från universitetet i Strasbourg (Frankrike) under ledning av den berömda kemisten Jean-Marie Lehn. Han genomförde postdoktoral forskning vid University of Oxford under ledning av kemisten Malcolm Green.

Från 1971 till 1979 var han forskare vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning (Centre National de la Recherche Scientifique, CNRS).

Från 1979 till 2009 var han chef för vetenskaplig forskning vid det franska nationella centret för vetenskaplig forskning.

1981-1984 var han professor vid universitetet i Strasbourg.

2009-2010 - gästprofessor vid universitetet i Zürich.

2010-2012 - gästforskare vid Northwestern University (Illinois, USA).

Från 2009 till idag - hedersprofessor vid universitetet i Strasbourg, hederschef för Frankrikes nationella centrum för vetenskaplig forskning.

Motsvarande ledamot av franska vetenskapsakademin sedan 1990, fullvärdig ledamot av franska vetenskapsakademin sedan 1997.

Jean-Pierre Savage är en pionjär inom området för ömsesidig mekanisk sammankoppling av molekylära arkitekturer.

Fraser Stoddart

Ferings forskning har mottagit en rad utmärkelser, bland annat Pino Gold Medal från Italian Chemical Society (1997), Arun Guthikonda Award från Columbia University (2003), Körber European Science Award (2003), dem. Arthur C. Cope Late Career Scholars Award från American Chemical Society (2015), japanska Yamada-Koga-priset och Nagoya-guldmedaljpriset (2013) inom området organisk kemi, etc.

5 oktober 2016 Bernard Feringa (tillsammans med forskarna Jean-Pierre Savage och Fraser Stoddart) för arbetet med syntesen av molekylära mekanismer som kan utföra riktade rörelser och därigenom agera som riktiga maskiner.

Materialet utarbetades utifrån information från RIA Novosti och öppna källor

Tre forskare fick ett pris för revolutionära upptäckter

Onsdagen den 5 oktober i Stockholm meddelade representanter för Kungliga Vetenskapsakademien beslutet att dela ut Nobelpriset i kemi för 2016. Tre forskare från olika länder: Fransmannen Jean-Pierre Sauvage från University of Strasbourg, född i Skottland Sir J. Fraser Stoddart från Northwestern University (Illinois, USA) och Bernard L. Feringa från University of Groningen (Nederländerna).

Prisets formulering är: "för design och syntes av molekylära maskiner." Årets pristagare har bidragit till miniatyriseringen av teknik som kan bli revolutionerande. Sauvage, Stoddart och Feringa miniatyriserade inte bara maskiner utan gav också kemin en ny dimension.

Enligt ett pressmeddelande från Kungliga Vetenskapsakademien tog professor Jean-Pierre Sauvage det första steget mot en molekylär maskin 1983 när han framgångsrikt länkade samman två ringformade molekyler för att bilda en kedja känd som en katenan. Molekyler hålls normalt samman av starka kovalenta bindningar där atomerna delar elektroner, men i denna kedja är de sammanfogade av en lösare mekanisk bindning. För att en maskin ska kunna utföra en uppgift måste den bestå av delar som kan röra sig i förhållande till varandra. Två sammankopplade ringar uppfyller helt detta krav.

Det andra steget togs av Fraser Stoddart 1991 när han utvecklade rotaxan (en typ av molekylstruktur). Han trädde in en molekylär ring i en tunn molekylär axel och visade att denna ring kunde röra sig längs axeln. Rotaxaner är grunden för sådana utvecklingar som den molekylära elevatorn, den molekylära muskeln och det molekylbaserade datorchipet.

Och Bernard Feringa var den första personen som utvecklade en molekylär motor. 1999 fick han ett molekylärt rotorblad som ständigt roterar i en riktning. Med hjälp av molekylära motorer roterade han en glascylinder som var 10 tusen gånger större än motorn, och forskaren utvecklade också en nanobil.

Det är intressant att 2016 års pristagare inte "glänste" särskilt i de olika listorna över favoriter som dyker upp varje år på tröskeln till "Nobelveckan".

Bland dem som tilldelades priset i kemi i år av media finns till exempel George M. Church och Feng Zhang (båda verksamma i USA) för användning av CRISPR-cas9 genomredigering i mänskliga och musceller.

Också på listan över favoriter var Hongkong-forskaren Dennis Lo (Dennis Lo Yukming) för hans upptäckt av cellfritt foster-DNA i fastlandsplasma, vilket revolutionerade icke-invasiv prenatal testning.

Namnen på japanska forskare nämndes också - Hiroshi Maeda och Yasuhiro Matsamura (för upptäckten av effekten av ökad permeabilitet och retention av makromolekylära läkemedel, vilket är en nyckelupptäckt för behandling av cancer).

I vissa källor kunde man hitta namnet på kemisten Alexander Spokoiny, som föddes i Moskva, men efter att hans familj flyttade till Amerika bodde och arbetade han i USA. Han kallas "kemins stigande stjärna". Förresten, den enda sovjetiska nobelpristagaren i kemi var akademikern Nikolai Semenov 1956 - för att han utvecklat teorin om kedjereaktioner. De flesta av mottagarna av detta pris är forskare från USA. Tyska vetenskapsmän är på andra plats, brittiska vetenskapsmän är på tredje plats.

Kemipriset kan mycket väl kallas "den mest Nobel av Nobels." När allt kommer omkring var mannen som grundade detta pris, Alfred Nobel, just en kemist, och i det periodiska systemet kemiska grundämnen bredvid mendelevium står nobelium.

Beslutet att dela ut detta pris tas av Kungliga Vetenskapsakademien. Från 1901 (då den första mottagaren inom kemiområdet var holländaren Jacob Hendrik van't Hoff) till 2015 delades Nobelpriset i kemi ut 107 gånger. Till skillnad från liknande utmärkelser inom fysik eller medicin, delades det oftare ut till en pristagare (i 63 fall), snarare än till flera samtidigt. Endast fyra kvinnor blev dock pristagare i kemi – bland dem Marie Curie, som också hade Nobelpriset i fysik, och hennes dotter Irene Joliot-Curie. Den enda personen som fick en kemisk Nobel två gånger var Frederick Sanger (1958 och 1980).

Den yngsta mottagaren var 35-årige Frédéric Joliot, som fick priset 1935. Och äldst var John B. Fenn, som tilldelades Nobelpriset vid 85 års ålder.

Förra året var Nobelpristagarna i kemi Thomas Lindahl (Storbritannien) och två vetenskapsmän från USA - Paul Modrich och Aziz Sancar (infödd i Turkiet). Priset tilldelades dem för "mekaniska studier av DNA-reparation."

2016 års Nobelpris i kemi tilldelades tre forskare: Jean-Pierre Sauvage från University of Strasbourg, James Fraser Stoddart från Northwestern University (USA) och Bernard Feringa från University of Groningen (Nederländerna) för uppfinningen av molekylära maskiner.

"Miniatyrhissar, muskler och motorer.

Dessa forskare har skapat molekyler med kontrollerade rörelser som kan utföra arbete när energi appliceras på dem, säger Nobelkommittén i ett uttalande.

Medlemmar av Nobelkommittén jämförde under presentationen av pristagarna uppfinningen av molekylära maskiner med utvecklingen av maskiner i tidiga XIXårhundradet, inklusive den senare utvecklingen av elmotorer, som blev ett av nyckelstadierna i den industriella revolutionen. Några minuter senare lyckades Nobelkommittén nå fram till en av pristagarna, Bernard Feringe.

"Jag visste inte vad jag skulle säga, det var en stor överraskning", svarade Feringa på frågan av en svensk journalist vad forskarens första ord var när han fick reda på priset. Kemisten lovade att han definitivt skulle fira priset med sitt team och elever.

"Det var en stor chock, jag trodde knappt att det fungerade", sa han på frågan av samma journalist om reaktionen på den första fungerande molekylära maskinen. Kemisten förklarade att utvecklingen av molekylära maskiner kommer att hjälpa läkare i framtiden att använda mikrorobotar för att leverera läkemedel till rätt plats i kroppen, samt att söka efter cancerceller och andra uppgifter. Han berättade också hur han kom på idén att skapa molekylära maskiner.

Feringhi molekylär maskinmodell

"Jag började med att uppfinna switchar - vi ville skapa molekylära switchar som kunde växlas från tillstånd noll till tillstånd ett med hjälp av ljus.

Det här var början på att skapa våra nanometerstora motorer, och när du lyckas skapa dem kan du redan tänka på ytterligare mekanismer för transport och rörelse”, tillade Feringa.

Det första steget mot att skapa molekylära maskiner togs tillbaka 1983 av Jean-Pierre Sauvage, när han sammanfogade två ringmolekyler och bildade en kedja som kallas katenan.

Normalt är molekyler förbundna med starka kovalenta bindningar där atomerna utbyter elektroner, men när de binds mekaniskt till en kedja blir bindningen lösare.

Nästa drivkraft i utvecklingen gavs av Fraser Stoddarts utveckling av rotaxaner - föreningar som består av en molekylaxel och en ringmolekyl som "läggs på" den. Forskaren visade att denna molekyl kunde röra sig längs en axel. Med hjälp av rotaxaner skapade Stoddart en molekylär hiss, molekylära muskler och ett molekylärt datorchip.

Bernard Feringa var den första att utveckla en molekylär motor. 1999 fick han ett molekylärt rotorblad att rotera kontinuerligt i en riktning. Med hjälp av molekylära motorer kunde han vända glascylindrar som var 10 tusen gånger större än själva motorn och designade senare en "nanobil".

Molekylära motorer befinner sig nu i ungefär samma utvecklingsstadium som elmotorer var på 1830-talet, när forskare designade hjul som roterade med spakar och hade ingen aning om att detta skulle leda till tillkomsten av elektriska tåg. tvättmaskiner, hårtorkar och matberedare.

Molekylär motor

Molekylära motorer kommer sannolikt att användas för att skapa nya material, sensorer och energibesparande system.

Tidigare var de mest utmanande till kemipriset enligt Thomson Reuters George Church och Feng Zhan, som lyckades redigera genomen hos möss och människor med hjälp av CRISPR-Cas9-systemet. Detta system, som ursprungligen var ansvarigt för utvecklingen av förvärvad immunitet hos bakterier, visade sig vara lämpligt för genteknikuppgifter.

Utöver dem, Dennis Law, som utvecklat en metod för att detektera extracellulärt foster-DNA i moderns blodplasma, vilket kommer att hjälpa till att diagnostisera vissa genetiska sjukdomar, och Hiroshi Maeda och Yasuhiro Matsumura, som upptäckte effekten av ökad permeabilitet och retention för makromolekylära läkemedel, kunde räkna med priset.