08.02.2017

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Группе химиков из Японии удалось побить установленный ею же рекорд самосборки молекулярных геометрических фигур. Ученые смогли так подобрать условия и компоненты, чтобы в растворе прошла реакция самосборки молекулярного многогранника, подобного вирусным капсидам (белковым оболочкам). Новый рекордсмен состоял из 144 молекул. Это открытие имеет огромный прикладной потенциал, поскольку меньшие структуры уже давно используются для катализа, гиперчувствительных сенсоров, хранения энергоносителей, стабилизации взрывчатых веществ и многого другого.

Если смотреть на экспериментальную химию философски, вся она по сути — самосборка. Химик только добавляет одни реагенты к другим, а взаимодействуют в растворе они уже сами по себе: как правило, ничто, кроме диффузии и электростатики, их друг к другу не подталкивает. Так же растут кристаллы: одна молекула «приклеивается» к другой, «выбирая» наиболее энергетически выгодную конформацию.

В принципе, так происходит и в живой клетке. Молекулы, плавая в цитоплазме, сами собираются в структуры, потом эти структуры катализируют самосборку других структур, вплоть до многоклеточного организма. Всё это выглядит как огромный работающий завод без единого рабочего, начальника цеха, директора или уборщицы. Всё работает по (био)химическим законам без чьего-либо сознательного надзора или управления — это результат эволюции, постепенного усложнения, выживания работающих систем и отмирания неработающих.

Исследования законов самосборки молекул начинались с попыток копировать природные процессы. Однако биологические объекты таковы, что человеческому мозгу порой тяжело представить даже их форму. Это представляет серьезную проблему для биохимических исследований. Так постепенно, в начале 90-х, возникла идея: а почему, собственно, надо исследовать только природную самосборку? Нельзя ли подойти с другой стороны? Выбрать модели, легче поддающиеся исследованиям, и попытаться понять природу на их основе. То есть собрать сначала знания, разбросанные под горящим фонарем, а уж потом идти к фонарям погасшим. Ну а что может быть проще, чем геометрические фигуры? Идея эта, как это часто бывает, возникла независимо в разных научных коллективах — группе Петера Стэнга (Peter J. Stang) из США и группе Макото Фудзиты (Makoto Fujita) из Японии.

На рис. 2 схематично изображены молекулы акцепторов (синие) и доноров (красные) (см. Донорно-акцепторное взаимодействие). Синие могут реагировать только с красными, соединяясь активными группами на двух концах. В качестве доноров (молекул, готовых поделиться электронной парой) используются азотные и другие щелочи. В качестве акцепторов (молекул, готовых электронную пару принять) — комплексы переходных металлов, таких как платина и палладий. При правильном соотношении между реагентами получаются исключительно (с почти 100-процентным выходом) структуры, изображенные на рис. 2, что само по себе уже интересно. Площадь таких фигур составляет обычно от двух до десяти квадратных нанометров.

Почти сразу стало понятно, что на двумерных структурах можно не останавливаться и попробовать собрать подобным образом трехмерные структуры — молекулярные «клетки» (cages); рис. 3. Для получения трехмерных фигур нужны доноры и/или акцепторы с тремя и более активными окончаниями.

У реакций оказалось несколько неожиданное, и даже контринтуитивное, свойство: если смешать несколько разных «синих» молекул с «красными», то всё равно они «выбирают» из раствора те, которые дают наиболее упорядоченные структуры, не перемешиваясь между собой. Таким образом, фактически осуществляется не только самосборка, но и самосортировка (рис. 4). Объясняется это тем, что наиболее упорядоченные структуры по совместительству оказались и наиболее энергетически выгодными.

На первый взгляд, область исследований самосборки молекулярных геометрических фигур может показаться очень узкой, представляющей не более чем академический интерес. Таких областей, которые когда-нибудь для чего-нибудь пригодятся (или не пригодятся), действительно хватает, но в обсуждаемом случае дело обстоит совершенно не так. И структуры, и методы их получения (а также открытые закономерности) очень быстро нашли огромное количество немедленных и отдаленных применений. Как и предполагалось, благодаря этим исследованиям стало понятнее, как работает самосборка биологических структур (например, вирусных капсидов).

Методы самосборки легли в основу огромной области исследований металлорганическиx координационныx полимерoв (Metal-organic frameworks, MOFs). Структуры, полученные такими методами, используют как гиперчувствительные сенсоры, так как при взаимодействии с определенными веществами они меняют свои физические свойства. C помощью молекулярных «клеток» ускоряют органические реакции, используя внутренние полости, чтобы приблизить реагенты друг к другу (как в природе делают ферменты). Также с их помощью стабилизируют взрывчатые или самовоспламеняющиеся вещества, например белый фосфор. В некоторые типы молекулярных «клеток» вставляют лекарства и доводят их до целевых органов, минуя здоровые. И это далеко не полный список.

Конечно же, и академические исследования в такой полезной области не остановились. В частности, один из любопытных вопросов, которыми задаются исследователи самосборки: какое наибольшее число молекул может «самособраться» в упорядоченную структуру без какой-либо посторонней помощи? В природе такой фокус могут проделывать сотни компонентов (например, те же вирусные капсиды). Смогут ли химики потягаться с природой?

Предпоследний рекорд был поставлен в группе Фудзиты. В начале 2016 года с помощью тщательного расчета топологии желаемой структуры и планирования геометрии молекулярных «деталек конструктора», им удалось (само)собрать структуру, принадлежащую к классу архимедовых тел, из 90 частиц: 30 четырехвалентных палладиевых акцепторов и 60 бипиридиновых доноров (вторая справа на рис. 5).

Барьер в сто компонентов на тот момент еще не был преодолен, и некоторые считали, что он непреодолим. Не обращая внимания на предсказания скептиков, в новом исследовании ученые замахнулись на следующий архимедов многогранник — из 180 частиц: 60 палладиевых акцепторов и 120 пиридиновых доноров (крайняя справа структура на рис. 5).

Произведя соответствующие расчеты, химики синтезировали для него молекулярные кирпичики, сделали раствор ингредиентов в отношении один акцептор к двум донорам и проследили за реакцией с помощью ЯМР-спектроскопии. Когда все исходные реагенты прореагировали, из раствора удалось выделить кристаллы и охарактеризовать их молекулярную структуру методом рентгеноструктурного анализа. К удивлению экспериментаторов, перед ними предстал многогранник cо структурой, далекой от ожидаемой (рис. 6, слева).

Так же как и предыдущий рекордсмен, он состоял из 30 акцепторов и 60 доноров («ага!» — воскликнули скептики), только относился не к архимедовым многогранникам, а был близок к другому классу фигур — многогранникам Гольдберга (см. Goldberg polyhedron).

Многогранники Гольдберга — геометрические фигуры, открытые математиком Майклом Гольдбергом (Michael Goldberg) в 1937 году. Классические многогранники Голдберга состоят из пяти- и шестиугольников, соединенных друг с другом по определенным правилам (кстати, усеченный икосаэдр, знакомый многим по форме футбольного мяча, — это пример многогранника Гольдберга). Несмотря на то, что в обсуждаемой работе многогранники состоят из треугольников и квадратов, они родственны многогранникам Гольдберга, что доказывается с использованием теории графов.

Ученые произвели дополнительные расчеты, из которых следовало, что данная структура метастабильна и что существует более энергетически стабильный многогранник из 48 акцепторов и 96 доноров, который может получиться из тех же исходных молекул. Оставалось «только» найти подходящие условия для его получения, выделения и характеристики. После многочисленных попыток, при разной температуре и с использованием разных растворителей, были получены кристаллы, которые под микроскопом визуально отличались от предыдущих. Пинцетом их отобрали от ранее охарактеризованных, и рентгеноструктурный анализ подтвердил: самосборкой был получен новый рекордсмен, состоящий из 144 молекул (рис. 6, справа).

Учитывая историю успешных поисков применений для аналогов меньших размеров, авторы надеются, что и вновь открытым молекулам, а также методам, которые были для них разработаны, найдутся интересные применения. На достигнутом они останавливаться не собираются и намерены получить еще более крупные структуры из большего количества компонентов.

Подготовлено по материалам:

1) Rajesh Chakrabarty, Partha S. Mukherjee, Peter J. Stang. Supramolecular Coordination: Self-Assembly of Finite Two- and Three-Dimensional Ensembles // Chemical Reviews. 2011. V. 111, P. 6810–6918. DOI: 10.1021/cr200077m.

2) Daishi Fujita, Yoshihiro Ueda, Sota Sato, Nobuhiro Mizuno, Takashi Kumasaka, Makoto Fujita. Self-assembly of tetravalent Goldberg polyhedral from 144 small components // Nature. 2016. V. 510, P. 563–567. DOI: 10.1038/nature20771.

Григорий Молев

Источники:

1. elementy.ru