Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Рис 1. Молекулярная структура полиэдра, полученного самосборкой из 144 молекул (расшифрованная методом рентгеноструктурного разбора): 48 четырёхвалентных палладиевых акцепторов (показаны шариками) и 96 лигандов — бипиридиновых (см. Bipyridine) доноров (показаны ровными линиями; на самом деле это изогнутые молекулы с углом 152°). Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

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

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

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

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

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

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Рис. 2. Двумерные фигуры, какие получаются при смешивании двухвалентных доноров (красные) и акцепторов (кубовые) определенной формы. Рисунок из обсуждаемой статьи в Chemical Reviews

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

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Рис. 3. Отдельный трехмерные фигуры, которые получаются при смешивании доноров и акцепторов соответственных форм. Рисунок из обсуждаемой статьи в Chemical Reviews

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

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Рис. 4. Примеры реакций самосортировки. A — три различных платиновых акцептора (черный, синий и зеленый), смешанные в одном сосуде с бипиридиновым донором (алый), дают исключительно структуры, в составе которых нет разных акцепторов. Группа ONO2 отходит от платины, и на ее пункт встает азот бипиридинового донора. B — другой пример самосортировки, в каком черный акцептор, реагируя с двумя донорами разной длины (лиловым и красным) в одном сосуде, дает на выходе два типа квадратов, но не прямоугольник. C — самосортировка с получением трехмерной структуры (молекулярной «клетки») в качестве одного из продуктов. Рисунки из обсуждаемой статьи в Chemical Reviews

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

Методы самосборки легли в основу огромной районы 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 физиологические свойства. C помощью молекулярных «клеток» ускоряют органические реакции, используя внутренние полости, чтобы ускорить реагенты друг к другу (как в природе делают ферменты). Также с их поддержкой стабилизируют взрывчатые или самовоспламеняющиеся вещества, например белый фосфор. В отдельный типы молекулярных «клеток» вставляют лекарства и доводят их до целевых органов, минуя крепкие. И это далеко не полный список.

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

Предпоследний рекорд был поставлен в группе Фудзиты. B начине 2016 года с помощью тщательного расчета топологии желаемой структуры и планирования геометрии молекулярных «деталек конструктора», им удалось (само)скопить 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 отдельный считали, что он непреодолим. Не обращая внимания на предсказания скептиков, в новоиспеченном исследовании ученые замахнулись на следующий архимедов многогранник, из 180 крупиц: 60 палладиевых акцепторов и 120 пиридиновых доноров (крайняя справа структура на рис. 5).

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

Самосборкой получены структуры из 144 молекулярных компонентов

Рис. 6. Молекулярные «полиэдры Гольдберга» M30L60 (слева) и M48L96 (справа), полученные самосборкой в растворе из равных строительных блоков при разных условиях кристаллизации. Сверху — схематические изображения фигур, снизу — карты электронной плотности, полученные разбором рентгено-кристаллографических данных. Многогранник M30L60 обладает хиральностью, то есть в его растворе уживаются два изомера, являющиеся зеркальным отражением друг друга. Карта электронной плотности представлена лишь для одного из изомеров. Многогранник M48L96 хиральностью не обладает. Рисунок из обсуждаемой статьи в Nature

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

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

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

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

Источник: elementy.ru