Danas su objavljeni dobitnici Nobelove nagrade za kemiju za 2016. godinu. “Za dizajn i sintezu molekularnih strojeva” tri će kemičara dobiti ukupno 58 milijuna rubalja - Jean-Pierre Sauvage (Francuska), Sir Fraser Stoddart (SAD) i Bernard Feringa (Nizozemska). Život govori o tome što su molekularni strojevi i zašto njihova kreacija zaslužuje tako prestižnu znanstvenu nagradu.
Što je stroj u najopćenitijem razumijevanju ovog pojma? Ovo je uređaj prilagođen određenim operacijama, sposoban ih izvoditi "u zamjenu" za gorivo. Stroj može rotirati, podići ili spustiti bilo koji predmet, a može čak djelovati i kao pumpa.
Ali koliko malen može biti takav stroj? Na primjer, neki dijelovi mehanizama satova izgledaju vrlo sićušni - može li išta biti manje? Da definitivno. Fizikalne metode omogućuju vam da izrežete zupčanik promjera od nekoliko stotina atoma. To je stotine tisuća puta manje od jednog milimetra poznatog sa školskih lenjira. Godine 1984. nobelovac Richard Feynman upitao je fizičare koliko malen može biti mehanizam s pokretnim dijelovima.
Feynman je bio inspiriran primjerima iz prirode: bičevi bakterija, koji omogućuju ovim sićušnim organizmima kretanje, rotiraju se zahvaljujući kompleksu koji se sastoji od nekoliko proteinskih molekula. Ali može li osoba stvoriti tako nešto?
Molekularni strojevi, koji se možda sastoje od samo jedne molekule, čine se kao nešto iz znanstvene fantastike. Zapravo, tek smo nedavno naučili manipulirati atomima (poznati IBM-ov eksperiment dogodio se 1989.) i raditi s pojedinačnim, stacionarnim molekulama. Da bi to učinili, fizičari stvaraju ogromne instalacije i ulažu nevjerojatne napore. Unatoč tome, kemičari su pronašli način za stvaranje kvintilijuna takvih uređaja odjednom. Upravo je on postao predmetom Nobelove nagrade 2016. godine.
Glavni problem u stvaranju stroja koji se sastoji od jedne molekule je kemijska veza. To je ono što povezuje sve atome molekule zajedno što sprječava da ima pokretne dijelove. Kako bi riješili ovu kontradikciju, kemičari su "izumili" novu vrstu veze - mehaničku.
Kako izgledaju mehanički povezane molekule? Zamislimo veliku molekulu čiji su atomi poredani u prsten. Provučemo li kroz njega još jedan lanac atoma i također ga zatvorimo u prsten, dobit ćemo česticu koja se ne može podijeliti na dva prstena bez prekidanja kemijskih veza. Ispostavilo se da su s kemijske točke gledišta ti prstenovi povezani, ali između njih nema prave kemijske veze. Inače, ova konstrukcija je nazvana catenan, od latinskog catena- lanac. Naziv odražava činjenicu da su takve molekule poput karika u lancu povezane jedna s drugom.
Laureat iz Francuske, Jean-Pierre Sauvage, dobio je nagradu uglavnom zbog svog revolucionarnog rada na metodama sinteze katenana. Godine 1983. jedan je znanstvenik otkrio kako se takve molekule mogu proizvesti namjenski. On nije bio prvi koji je sintetizirao katenan, ali metoda sinteze šablona koju je predložio još uvijek se koristi u modernim radovima.
Postoji još jedna klasa mehanički srodnih spojeva koji se nazivaju rotaksani. Molekule takvih spojeva sastoje se od prstena kroz koji je provučen lanac atoma. Na krajevima ovog lanca kemičari postavljaju posebne "čepove" koji sprječavaju da prsten sklizne s lanca. Njima se pozabavio još jedan ovogodišnji nobelovac, sir James Fraser Stoddart. Inače, rođeni Škot Stoddart nosi titulu Knight Bachelor. Za njegov rad na organskoj sintezi proglasila ga je vitezom sama kraljica Elizabeta II. No, Stoddart sada radi u SAD-u, na Sveučilištu Northwestern.
U ovim klasama spojeva pojedinačni se fragmenti mogu slobodno kretati jedan u odnosu na drugi. Prstenovi katenana mogu se slobodno okretati jedan u odnosu na drugi, a prsten na rotaksanu može kliziti duž lanca. To ih čini dobrim kandidatima za molekularne strojeve za koje se Feynman zainteresirao. No, da bi se te strukture tako mogle nazvati, od njih je potrebno postići još jednu stvar - upravljivost.
Posebno za to, kemičari su koristili osnovne ideje elektrostatike: ako jedan od prstenova napravite nabijen, a na drugi prsten (ili lanac) stavite fragmente koji mogu promijeniti svoj naboj pod utjecajem vanjskih utjecaja, tada možete napraviti prsten odbiti s jednog područja prstena (ili lanca) i prijeći na drugo. U prvim eksperimentima znanstvenici su naučili prisiliti molekularne strojeve da izvode takve operacije pomoću kemijskih utjecaja. Sljedeći korak bio je korištenje svjetlosti, električnih impulsa, pa čak i samo topline za iste svrhe - ove metode prijenosa "goriva" omogućile su ubrzanje rada strojeva.
Posebno treba istaknuti rad trećeg laureata, Bernarda Feringe. Nizozemski kemičar uspio je bez mehanički vezanih molekula. Umjesto toga, znanstvenik je pronašao način da natjera molekule spoja koji sadrže tradicionalne kemijske veze da se okreću. Godine 1999. Feringa je demonstrirao molekulu koja je izgledala kao dvije oštrice povezane jedna s drugom. Svaka od ovih lopatica pokušavala se odgurnuti jedna od druge, a njihov asimetrični oblik činio je povoljnim okretanje samo u jednom smjeru, kao da postoji čegrtaljka na "osi" između ovih lopatica.
Da bi molekula radila poput rotora, bilo je dovoljno jednostavno je obasjati ultraljubičastim svjetlom. Oštrice su se počele okretati jedna u odnosu na drugu u strogom zadani smjer. Kasnije su kemičari čak pričvrstili takve molekule rotora na ogromnu (u usporedbi sa samim rotorom) česticu i tako je natjerali da se vrti. Usput, brzina rotacije slobodnog rotora može doseći desetke milijuna okretaja u sekundi.
S ove tri jednostavne molekule kemičari su uspjeli stvoriti široku paletu molekularnih strojeva. Jedan od najljepših primjera je molekularni "mišić", koji je čudan hibrid katenana i rotaksana. Kada je izložen kemikalijama (dodavanje bakrenih soli), "mišić" se steže za dva nanometra.
Druga varijanta molekularnog stroja je "lift" ili lift. Uvela ga je 2004. Stoddartova grupa na bazi rotaksana. Uređaj omogućuje podizanje i spuštanje molekularne podloge za 0,7 nanometara, proizvodeći "osjetljivu" silu od 10 pikopaskala.
Feringa je 2011. prikazao koncept molekularnog "stroja" s četiri rotora sposobnog za vožnju pod utjecajem električnih impulsa. “Nanostroj” nije samo izgrađen, nego je i potvrđena njegova funkcionalnost: svaki okret rotora zapravo je malo promijenio položaj molekule u prostoru.
Iako ovi uređaji izgledaju zanimljivo, potrebno je podsjetiti da je jedan od Nobelovih zahtjeva za laureate bio važnost otkrića za znanost i čovječanstvo. Djelomično na pitanje "zašto je to potrebno?" odgovorio je Bernard Feringa kad su mu priopćili nagradu. Prema kemičaru, s takvim kontroliranim molekularnim strojevima postaje moguće stvoriti medicinske nanorobote. “Zamislite sićušne robote koje bi liječnici budućnosti mogli umetnuti u vaše vene i usmjeriti ih da traže stanice raka.” Znanstvenik je primijetio da se osjeća isto kao što su se vjerojatno osjećala braća Wright nakon svog prvog leta, kada su ih ljudi pitali zašto su uopće potrebni leteći automobili.
SVE FOTOGRAFIJE
Nobelova nagrada za kemiju 2016. dodijeljena je trojici znanstvenika za dizajn i sintezu molekularnih strojeva. Nagradu su primili nizozemski istraživač Bernard Feringa, Britanac koji radi u Sjedinjenim Američkim Državama James Fraser Stoddart i Francuz Jean-Pierre Sauvage, priopćeno je iz Nobelovog odbora.
Znanstvenici su uspjeli razviti najmanje strojeve na svijetu. Istraživači su uspjeli povezati molekule zajedno, stvarajući sićušna dizala, umjetne mišiće i mikroskopske motore. "Dobitnici Nobelove nagrade za kemiju 2016. minijaturizirali su strojeve i odveli kemiju u novu dimenziju", stoji na web stranici odbora. U priopćenju se napominje da bi razvojem računalne tehnologije minijaturizacija tehnologije mogla dovesti do revolucije.
Tim znanstvenika razvio je molekule s kontroliranim pokretima koje mogu obavljati zadatke kada se doda energija. Sauvage je napravio prvi korak prema stvaranju molekularnih strojeva 1983., formirajući lanac od dvije prstenaste molekule nazvan katenan. Da bi stroj izvršio zadatak, mora se sastojati od dijelova koji se mogu pomicati jedan u odnosu na drugi. Dva prstena koja je povezao Sauvage ispunjavala su upravo taj zahtjev.
Stoddart je poduzeo drugi korak 1991., sintetiziravši rotaksan, spoj u kojem je prsten vezan za molekulu u obliku bučice. Među njegovim razvojem su molekularni lift, molekularni mišić i računalni čip stvoren na temelju molekula.
Konačno, Feringa je 1999. demonstrirao rad molekularnih motora.
Očekuje se da će se u budućnosti molekularni strojevi koristiti za stvaranje novih materijala, senzora i sustava za pohranu energije.
Stoddart je rođen 1942. u Edinburghu. Znanstvenica se specijalizirala za područje supramolekularne kemije i nanotehnologije te radi na Sveučilištu Northwestern u američkoj državi Illinois. Sauvage je rođen u Parizu 1944. i bavi se znanstvena djelatnost na Sveučilištu u Strasbourgu, njegova specijalnost su koordinacijske veze. Feringa, rođen 1951. u Barger-Compascumu u Nizozemskoj, profesor je organska kemija na nizozemskom Sveučilištu Groningen.
Nobelova nagrada vrijedi 8 milijuna švedskih kruna. Nagrada za kemiju dodjeljuje se od 1901. (osim 1916., 1917., 1919., 1924., 1933., 1940., 1941. i 1942.). Ove godine nagrada je dodijeljena 108. put.
Godine 2015 Nobelova nagrada kemije dodijeljena je Šveđaninu Thomasu Lindahlu, američkom državljaninu Paulu Modriću i Amerikancu turskog podrijetla Azizu Sancaru za njihova istraživanja mehanizama popravka DNK. Rad znanstvenika dao je svijetu temeljna znanja o funkcijama živih stanica, a posebno njihovoj upotrebi u novim metodama borbe protiv raka, izvijestio je Nobelov odbor. Procjenjuje se da oko 80-90% svih karcinoma nastaje zbog nedostatka popravka DNK.
Prema pravilima, Nobelova nagrada za fiziku i kemiju može se dodijeliti samo autorima radova objavljenih u recenziranom tisku. Osim toga, otkriće mora biti uistinu značajno i univerzalno priznato od strane svjetske znanstvene zajednice, zbog čega eksperimentalci dobivaju nagradu češće od teoretičara.
Dan ranije u Stockholmu je dodijeljena Nobelova nagrada za fiziku. Nagradu su primila tri britanska znanstvenika koji rade u Sjedinjenim Državama. Britanac Duncan Haldane i škotsko-amerikanci David Thouless i Michael Kosterlitz dobili su nagradu za “teorijska otkrića topoloških faznih prijelaza i topoloških faza materije”. Znanstvenici su istraživali neobična stanja materije. Riječ je o o supravodičima, superfluidima i tankim magnetskim filmovima.
Nobelova nagrada za fiziologiju i medicinu za 2016. godinu dodijeljena je 3. listopada 71-godišnjem japanskom znanstveniku Yoshinoriju Ohsumiju. Nagrađen je za svoja otkrića u području autofagije (od grčkog "samojedenje") - procesa u kojem se unutarnje komponente stanice dostavljaju u njezine lizosome (kod sisavaca) ili vakuole (kod stanica kvasca) i tamo podvrgnuti degradaciji.
Nobelovu nagradu za kemiju 2016. godine dobila su trojica istraživača: Jean-Pierre Sauvage sa Sveučilišta u Strasbourgu, James Fraser Stoddart sa Sveučilišta Northwestern (SAD) i Bernard Feringa sa Sveučilišta u Groningenu (Nizozemska) za izum molekularnih strojeva.
“Minijaturna dizala, mišići i motori.
Ovi su znanstvenici stvorili molekule s kontroliranim kretanjem koje mogu obavljati rad kada se na njih primijeni energija”, stoji u priopćenju Nobelovog odbora.
Članovi Nobelovog odbora tijekom predstavljanja laureata usporedili su izum molekularnih strojeva s razvojem strojeva u početkom XIX stoljeća, uključujući kasniji razvoj elektromotora, koji je postao jedna od ključnih faza Industrijska revolucija. Nekoliko minuta kasnije Nobelov komitet uspio je doći do jednog od laureata, Bernarda Feringea.
“Nisam znao što bih rekao, bilo je to veliko iznenađenje”, odgovorio je Feringa na pitanje švedskog novinara koje su bile prve riječi znanstvenika kada je saznao za nagradu. Kemičar je obećao da će nagradu svakako proslaviti sa svojim timom i studentima.
“Bio je to veliki šok, jedva sam vjerovao da je uspjelo”, rekao je na pitanje istog novinara o reakciji na prvi aktivni molekularni stroj. Kemičar je objasnio da će razvoj molekularnih strojeva pomoći liječnicima u budućnosti da koriste mikrorobote za dostavu lijekova na pravo mjesto u tijelu, kao i za traženje stanica raka i druge zadatke. Ispričao je i kako je došao na ideju stvaranja molekularnih strojeva.
Feringhijev model molekularnog stroja
nobelprize.org“Počeo sam s izumom prekidača - htjeli smo stvoriti molekularne prekidače koji se mogu prebaciti iz stanja nula u stanje jedan pomoću svjetla.
To je bio početak stvaranja naših nanometarskih motora, a kada ih uspijete stvoriti, već možete razmišljati o daljnjim mehanizmima za transport i kretanje”, dodao je Feringa.
Prvi korak prema stvaranju molekularnih strojeva napravio je 1983. godine Jean-Pierre Sauvage, kada je spojio dvije prstenaste molekule zajedno, tvoreći lanac nazvan katenan.
Normalno, molekule su čvrsto povezane kovalentne veze, u kojoj atomi izmjenjuju elektrone, ali kada se mehanički povežu u lanac, veza postaje labavija.
Sljedeći zamah u razvoju dao je Fraser Stoddart razvojem rotaksana - spojeva koji se sastoje od molekularne osi i prstenaste molekule koja se “navlači” na nju. Znanstvenik je pokazao da se ova molekula može kretati duž osi. Koristeći rotaksane, Stoddart je stvorio molekularni elevator, molekularne mišiće i molekularni računalni čip.
Bernard Feringa prvi je razvio molekularni motor. Godine 1999. napravio je molekularnu lopaticu rotora koja se neprekidno okreće u jednom smjeru. Koristeći molekularne motore, uspio je okretati staklene cilindre koji su bili 10 tisuća puta veći od samog motora, a kasnije je dizajnirao "nanoautomobil".
Molekularni motori sada su otprilike na istom stupnju razvoja kao što su bili električni motori 1830-ih, kada su znanstvenici dizajnirali kotače koji se okreću pomoću poluga i nisu imali pojma da će to dovesti do električnih vlakova, perilica rublja, sušila za kosu i procesora hrane.
Molekularni motor
nobelprize.orgMolekularni motori vjerojatno će se koristiti za stvaranje novih materijala, senzora i sustava za uštedu energije.
Prethodno su najveći kandidati za nagradu za kemiju prema Thomson Reutersu bili George Church i Feng Zhan, koji su pomoću sustava CRISPR-Cas9 uspjeli urediti genome miševa i ljudi. Ovaj sustav, koji je u početku bio odgovoran za razvoj stečenog imuniteta kod bakterija, pokazao se pogodnim za zadatke genetskog inženjeringa.
Osim njih, Dennis Law, koji je razvio metodu detekcije izvanstanične fetalne DNK u krvnoj plazmi majke, koja će pomoći u dijagnosticiranju nekih genetskih bolesti, te Hiroshi Maeda i Yasuhiro Matsumura, koji su otkrili učinak povećane propusnosti i retencije za makromolekularne lijekove, mogao računati na nagradu.
Godišnja ceremonija proglašenja laureata održana je u Stockholmu Nobelova nagrada za kemiju.
5. listopada 2016. godine objavljena su imena dobitnika Nobelove nagrade za kemiju za 2016. godinu. Postali su Francuzi Jean-Pierre Souvage(Jean-Pierre Sauvage), Amerikanac škotskog podrijetla James Fraser Stoddart(Fraser Stoddart) i Nizozemac Bernard Feringa(Bernard Feringa).
Tekst nagrade: “ Za dizajn i sintezu molekularnih strojeva«.
Molekularni strojevi su uređaji koji manipuliraju pojedinačnim atomima i molekulama. Mogu ih prenijeti s jednog mjesta na drugo, približiti ih tako da se među njima stvori kemijska veza ili ih razdvojiti tako da kemijska veza pukne. Veličina molekularnog stroja ne može biti prevelika. Obično je reda veličine nekoliko nanometara.
Među perspektivnim područja primjene Takvi strojevi služe za molekularnu kirurgiju, ciljanu isporuku lijekova (primjerice duboko u tumor raka, gdje konvencionalni lijekovi gotovo ne prodiru), korekciju poremećenih biokemijskih funkcija organizma.
Kako je navedeno u priopćenju Švedske kraljevske akademije znanosti, prvi korak prema molekularnom stroju, prof. Jean-Pierre Sauvage učinio 1983. kada je uspješno povezao dvije molekule u obliku prstena u lanac poznat kao katenan. Molekule se obično drže zajedno jakim kovalentnim vezama u kojima atomi dijele elektrone, ali u ovom lancu spojeni su labavijom mehaničkom vezom. Da bi stroj izvršio zadatak, mora se sastojati od dijelova koji se mogu pomicati jedan u odnosu na drugi. Dva spojena prstena u potpunosti ispunjavaju ovaj zahtjev.
Učinjen je drugi korak Fraser Stoddart 1991. kada je razvio rotaksan (vrsta molekularne strukture). Uvukao je molekularni prsten u tanku molekularnu os i pokazao da se taj prsten može kretati duž osi. Rotaksani su osnova za takve razvoje kao što su molekularni elevator, molekularni mišić i računalni čip baziran na molekulama.
A Bernard Feringa bio je prva osoba koja je razvila molekularni motor. Godine 1999. dobio je molekularnu lopaticu rotora koja se stalno okreće u jednom smjeru. Pomoću molekularnih motora zarotirao je stakleni cilindar koji je bio 10 tisuća puta veći od motora, a znanstvenik je razvio i nanoauto.
Laureati za 2016. ravnomjerno će podijeliti novčani dio nagrade u iznosu od 8 milijuna švedskih kruna (oko 933,6 tisuća dolara).
Prva Nobelova nagrada za kemiju dobio 1901 Jacob Hendrik van't Hoff u znak priznanja ogromne važnosti otkrića zakona kemijske dinamike i osmotskog tlaka u otopinama. Od tada do 2015. godine 172 osobe postale su njezini laureati, od toga 4 žene.
Najčešće se Nobelova nagrada za kemiju dodjeljivala za rad na tom području biokemija(50 puta), organska kemija(43 puta) i fizička kemija(38 puta).
Nobelova nagrada za kemiju 2015 primio Šveđanin Thomas Lindahl, Amerikancu Paulu Modrichu i Turčinu Azizu Sancaru "za mehaničke studije popravka DNK", pokazujući na molekularnoj razini kako stanice popravljaju oštećenu DNK i čuvaju genetske informacije.
