Vinnarna av 2016 års Nobelpris i kemi tillkännagavs idag. "För design och syntes av molekylära maskiner" kommer tre kemister att få totalt 58 miljoner rubel - Jean-Pierre Sauvage (Frankrike), Sir Fraser Stoddart (USA) och Bernard Feringa (Holland). Livet talar om vad molekylära maskiner är och varför deras skapelse förtjänar ett så prestigefyllt vetenskapligt pris.
Vad är en maskin i den mest allmänna förståelsen av denna term? Detta är en enhet som är skräddarsydd för vissa operationer, som kan utföra dem "i utbyte" mot bränsle. Maskinen kan rotera, höja eller sänka vilket föremål som helst och kan till och med fungera som en pump.
Men hur liten kan en sådan maskin vara? Vissa delar av klockmekanismerna ser till exempel väldigt små ut - kan något vara mindre? Ja, definitivt. Fysiska metoder låter dig skära ett kugghjul med en diameter på ett par hundra atomer. Detta är hundratusentals gånger mindre än den en millimeter som är bekant från skolans härskare. 1984 frågade nobelpristagaren Richard Feynman fysiker hur liten en mekanism med rörliga delar kan vara.
Feynman inspirerades av exempel från naturen: bakteriernas flageller, som gör att dessa små organismer kan röra sig, roterar tack vare ett komplex som består av flera proteinmolekyler. Men kan en person skapa något sådant?
Molekylära maskiner, kanske bestående av bara en molekyl, verkar som något ur science fiction. Faktum är att vi bara nyligen har lärt oss att manipulera atomer (ett berömt IBM-experiment inträffade 1989) och arbeta med enstaka, stationära molekyler. För att göra detta skapar fysiker enorma installationer och lägger ner otroliga ansträngningar. Ändå har kemister hittat ett sätt att skapa kvintiljoner av sådana enheter på en gång. Det var han som blev föremål för Nobelpriset 2016.
Det största problemet med att skapa en maskin som består av en enda molekyl är kemisk bindning. Det är det som binder samman alla atomer i en molekyl som hindrar den från att ha rörliga delar. För att lösa denna motsägelse "uppfann" kemister en ny typ av bindning - mekanisk.
Hur ser mekaniskt bundna molekyler ut? Låt oss föreställa oss en stor molekyl, vars atomer är ordnade i en ring. Om vi passerar en annan kedja av atomer genom den och även sluter den till en ring får vi en partikel som inte kan delas i två ringar utan att bryta de kemiska bindningarna. Det visar sig att ur kemisk synvinkel är dessa ringar anslutna, men det finns ingen verklig kemisk koppling mellan dem. Förresten, denna konstruktion kallades catenan, från latin catena- kedja. Namnet återspeglar det faktum att sådana molekyler är som länkar i en kedja kopplade till varandra.
Pristagaren från Frankrike, Jean-Pierre Sauvage, fick priset till stor del för sitt banbrytande arbete med metoder för syntes av katenaner. 1983 kom en forskare på hur sådana molekyler kunde produceras målmedvetet. Han var inte den första att syntetisera katenan, men den mallsyntesmetod han föreslog används fortfarande i moderna verk.
Det finns en annan klass av mekaniskt relaterade föreningar som kallas rotaxaner. Molekylerna i sådana föreningar består av en ring genom vilken en kedja av atomer träs. I ändarna av denna kedja placerar kemister speciella "pluggar" som förhindrar att ringen glider av kedjan. De hanterades av en annan Nobelpristagare i år, Sir James Fraser Stoddart. Den skottfödde Stoddart har förresten titeln Knight Bachelor. Han adlades av drottning Elizabeth II själv för sitt arbete med organisk syntes. Stoddart arbetar dock nu i USA, vid Northwestern University.
I dessa klasser av föreningar kan enskilda fragment röra sig fritt i förhållande till varandra. Ringarna av katenaner kan rotera fritt i förhållande till varandra, och ringen på rotaxan kan glida längs kedjan. Detta gör dem till goda kandidater för de molekylära maskiner som Feynman blev intresserad av. Men för att dessa strukturer ska kallas det är det nödvändigt att uppnå en sak till från dem - kontrollerbarhet.
Speciellt för detta använde kemister grundidéerna för elektrostatik: om du gör en av ringarna laddad och på den andra ringen (eller kedjan) placerar fragment som kan ändra sin laddning under påverkan av yttre påverkan, då kan du göra ringen stöta bort från ett område av ringen (eller kedjan) och flytta till ett annat. I de första experimenten lärde sig forskare att tvinga molekylära maskiner att utföra sådana operationer med hjälp av kemisk påverkan. Nästa steg var användningen av ljus, elektriska impulser och till och med bara värme för samma ändamål - dessa metoder för att överföra "bränsle" gjorde det möjligt att påskynda driften av maskiner.
Den tredje pristagarens arbete, Bernard Feringa, förtjänar särskilt omnämnande. Den holländska kemisten klarade sig utan mekaniskt bundna molekyler. Istället hittade forskaren ett sätt att få molekylerna i en förening som innehåller traditionella kemiska bindningar att rotera. 1999 visade Feringa en molekyl som såg ut som två blad kopplade till varandra. Var och en av dessa blad försökte trycka bort från varandra, och deras asymmetriska form gjorde det fördelaktigt att rotera i endast en riktning, som om det fanns en spärr på "axeln" mellan dessa blad.
För att få molekylen att fungera som en rotor räckte det med att helt enkelt lysa ultraviolett ljus på den. Bladen började rotera relativt varandra strikt given riktning. Senare fäste kemister till och med sådana rotormolekyler till en enorm (jämfört med själva rotorn) partikel och fick den på så sätt att rotera. Förresten kan rotationshastigheten för en fri rotor nå tiotals miljoner varv per sekund.
Med dessa tre enkla molekyler kunde kemister skapa en mängd olika molekylära maskiner. Ett av de vackraste exemplen är den molekylära "muskeln", som är en märklig hybrid av katenan och rotaxan. När den utsätts för kemikalier (tillsats av kopparsalter), drar "muskeln" ihop sig med två nanometer.
En annan variant av en molekylär maskin är en "hiss" eller hiss. Den introducerades 2004 av Stoddarts grupp baserad på rotaxaner. Enheten gör att den molekylära dynan kan höjas och sänkas med 0,7 nanometer, vilket ger en "märkbar" kraft på 10 picopascal.
2011 visade Feringa konceptet med en molekylär "maskin" med fyra rotorer som kan köra under påverkan av elektriska impulser. "Nanomaskinen" byggdes inte bara, utan dess funktionalitet bekräftades också: varje varv av rotorerna ändrade faktiskt en aning molekylens position i rymden.
Även om dessa enheter ser intressanta ut, är det nödvändigt att komma ihåg att ett av Nobels krav på pristagare var betydelsen av upptäckter för vetenskapen och mänskligheten. Dels på frågan "varför behövs detta?" svarade Bernard Feringa när han fick besked om priset. Enligt kemisten, med sådana kontrollerade molekylära maskiner, blir det möjligt att skapa medicinska nanorobotar. "Föreställ dig små robotar som framtidens läkare kan föra in i dina ådror och dirigera dem att leta efter cancerceller." Forskaren noterade att han kände på samma sätt som bröderna Wright förmodligen kände efter sin första flygning, när folk frågade dem varför flygande bilar överhuvudtaget skulle behövas.
ALLA BILDER
2016 års Nobelpris i kemi tilldelades tre forskare för design och syntes av molekylära maskiner. Priset mottogs av en forskare från Nederländerna, Bernard Feringa, en britt som arbetar i USA, James Fraser Stoddart, och en fransman, Jean-Pierre Sauvage, enligt ett pressmeddelande från Nobelkommittén.
Forskare kunde utveckla världens minsta maskiner. Forskare har kunnat länka samman molekyler och skapat små hissar, konstgjorda muskler och mikroskopiska motorer. "2016 års Nobelpristagare i kemi miniatyriserade maskiner och tog kemin till en ny dimension", står det på kommitténs hemsida. I pressmeddelandet konstateras att med utvecklingen av datorteknik kan miniatyriseringen av tekniken leda till en revolution.
Ett team av forskare har utvecklat molekyler med kontrollerade rörelser som kan utföra uppgifter när energi tillförs. Sauvage tog det första steget mot att skapa molekylära maskiner 1983, och bildade en kedja av två ringformade molekyler som kallas katenan. För att en maskin ska kunna utföra en uppgift måste den vara uppbyggd av delar som kan röra sig i förhållande till varandra. De två ringarna som Sauvage sammankopplade uppfyllde just detta krav.
Stoddart tog det andra steget 1991, syntetiserade rotaxan, en förening där en ring är fäst vid en hantelformad molekyl. Bland hans utvecklingar finns en molekylär hiss, en molekylär muskel och ett datorchip skapat på basis av molekyler.
Slutligen visade Feringa hur molekylära motorer fungerar 1999.
Det förväntas att molekylära maskiner i framtiden kommer att användas för att skapa nya material, sensorer och energilagringssystem.
Stoddart föddes 1942 i Edinburgh. Forskaren är specialiserad inom området supramolekylär kemi och nanoteknik och arbetar vid Northwestern University i den amerikanska delstaten Illinois. Sauvage föddes i Paris 1944 och är involverad i vetenskaplig verksamhet vid universitetet i Strasbourg är hans specialitet koordinationsförbindelser. Feringa, född 1951 i Barger-Compascum i Nederländerna, är professor organisk kemi vid holländska universitetet i Groningen.
Nobelpriset är värt 8 miljoner svenska kronor. Kemipriset har delats ut sedan 1901 (förutom 1916, 1917, 1919, 1924, 1933, 1940, 1941 och 1942). I år delades priset ut för 108:e gången.
År 2015 Nobelpriset i kemi tilldelades svensken Thomas Lindahl, USA-medborgaren Paul Modric och turk-amerikanska Aziz Sancar för sin forskning om DNA-reparationsmekanismer. Forskarnas arbete har gett världen grundläggande kunskap om levande cellers funktioner och i synnerhet deras användning i nya metoder för att bekämpa cancer, rapporterade Nobelkommittén. Det uppskattas att cirka 80-90 % av alla cancerformer beror på bristande DNA-reparation.
Enligt reglerna kan Nobelpriset i fysik och kemi endast delas ut till författare till artiklar som publicerats i en referentgranskad press. Dessutom måste upptäckten vara verkligt betydelsefull och allmänt erkänd av världsvetenskapssamfundet, vilket är anledningen till att experimentalister får priset oftare än teoretiker.
Dagen innan delades Nobelpriset i fysik ut i Stockholm. Tre brittiska forskare som arbetar i USA fick priset. Britten Duncan Haldane och skotsk-amerikanerna David Thouless och Michael Kosterlitz fick priset för "teoretiska upptäckter av topologiska fasövergångar och topologiska faser av materia." Forskare har utforskat ovanliga materiatillstånd. Det handlar om om supraledare, supervätskor och tunna magnetiska filmer.
2016 års Nobelpris i fysiologi eller medicin tilldelades den 71-åriga japanska forskaren Yoshinori Ohsumi den 3 oktober. Han belönades för sina upptäckter inom området autofagi (från grekiskan "självätande") - en process där de inre komponenterna i en cell levereras till dess lysosomer (i däggdjur) eller vakuoler (i jästceller) och är utsatt för nedbrytning där.
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 industriell revolution. 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
nobelprize.org"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 starkt sammankopplade kovalenta bindningar, där atomer utbyter elektroner, men när de mekaniskt kombineras 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, då forskare designade hjul som roterade med spakar och hade ingen aning om att detta skulle leda till elektriska tåg, tvättmaskiner, hårtorkar och matberedare.
Molekylär motor
nobelprize.orgMolekylära 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 musens och mänskliga arvsmassan 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.
Den årliga ceremonin för att tillkännage pristagarna ägde rum i Stockholm. Nobelpriset i kemi.
Den 5 oktober 2016 tillkännagavs namnen på vinnarna av Nobelpriset i kemi för 2016. De blev fransmän Jean-Pierre Souvage(Jean-Pierre Sauvage), amerikan av skotsk härkomst James Fraser Stoddart(Fraser Stoddart) och holländare Bernard Feringa(Bernard Feringa).
Prisformulering: " För design och syntes av molekylära maskiner«.
Molekylära maskiner är enheter som manipulerar enstaka atomer och molekyler. De kan överföra dem från en plats till en annan, föra dem närmare så att en kemisk bindning bildas mellan dem, eller dra isär dem så att den kemiska bindningen bryts. Storleken på en molekylär maskin kan inte vara för stor. Det är vanligtvis i storleksordningen flera nanometer.
Bland de lovande användningsområden Sådana maskiner används för molekylär kirurgi, riktad leverans av läkemedel (till exempel djupt in i en cancertumör, där konventionella läkemedel nästan inte tränger in), korrigering av störda biokemiska funktioner i kroppen.
Som det står i ett pressmeddelande från Kungliga Vetenskapsakademien, det första steget mot en molekylär maskin, har Prof. Jean-Pierre Sauvage gjorde 1983 när han framgångsrikt länkade två ringformade molekyler tillsammans för att bilda en kedja som kallas katenan. Typiskt är molekyler förbundna med starka kovalenta bindningar där atomerna delar elektroner, men i denna kedja är de sammankopplade med 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 Fraser Stoddart 1991 när han utvecklade rotaxan (en typ av molekylär struktur). 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.
A 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.
Pristagarna 2016 kommer att dela lika mellan sig på kontantdelen av priset på 8 miljoner svenska kronor (cirka 933,6 tusen USD).
Första Nobelpriset i kemi mottogs 1901 Jacob Hendrik van't Hoff som ett erkännande av den enorma betydelsen av upptäckten av lagarna för kemisk dynamik och osmotiskt tryck i lösningar. Sedan dess och fram till 2015 blev 172 personer dess pristagare, 4 av dem kvinnor.
Oftast delades Nobelpriset i kemi ut för arbete inom området biokemi(50 gånger), organisk kemi(43 gånger) och fysikalisk kemi(38 gånger).
2015 Nobelpriset i kemi tagit emot en svensk Thomas Lindahl, amerikanen Paul Modrich och turkiska infödda Aziz Sancar "för mekanistiska studier av DNA-reparation", som visar på molekylär nivå hur celler reparerar skadat DNA och bevarar genetisk information.
