Пітер Штацко опублікував дослідження про розвиток молекулярного двигуна в рамках дослідницької групи минулорічного лауреата Нобелівської премії з хімії.

хімік

У майбутньому вчений Пітер Штацко хоче шукати шляхи активації та вивільнення молекул у живих організмах за допомогою видимого та інфрачервоного світла. "Червоне та ближнє інфрачервоне світло (600-1000 нм) може проникати крізь тканину на глибину до декількох сантиметрів, і тому воно є чудовим кандидатом на неінвазивну та одночасно місцеву терапію", - каже фотохімік Штачко.

Як би ви коротко описали молекулярний двигун вашої статті Science?

Молекулярний двигун заснований на класичному молекулярному двигуні, розробленому в групі Бена Ферінга (лауреат Нобелівської премії 2016 р., Прим. Ред.). Це насправді одна маленька молекула, дві частини якої можуть обертатися одна проти одної за певних умов. Як і всі двигуни майстерні Fering, цей двигун живиться від світла. Оскільки ми хотіли показати, що ми можемо перенести первинний рух (обертання) молекулярного двигуна на інші компоненти, нам довелося змінити оригінальну конструкцію, додавши уявне лезо, яке було утворене нафталіном.

Словак, опублікований у Science, розробив молекулярний двигун з лауреатом Нобелівської премії з хімії

Що служить джерелом енергії для згаданого молекулярного двигуна?

Первинним джерелом енергії є світло, в даному випадку UVA світло. Цикл одного обертання двигуна складається з чотирьох ступенів, два, що рухаються світлом (фотохімічні ступені), і два, що рухаються теплом (термічні ступені). Двигун розроблений таким чином, щоб температура в приміщенні була достатньою для курсу теплових ступенів, тобто близько 25 градусів. Двигун робить в середньому один оборот за 10 секунд.

Пітер Стацко (1987)

є фотохіміком. Після навчання в університеті Масарика в Брно він переїхав до Нідерландів, де працював над розробкою молекулярних машин та двигунів у групі минулорічного лауреата Нобелівської премії з хімії Бена Ферінга. В даний час він працює над розробкою систем в Чехії, які могли б виділяти молекули в біологічних тканинах після опромінення світлом. У червні він разом зі своїми колегами опублікував статтю в престижному журналі Science.

Це був новий проект або продовження існуючих досліджень?

Цей проект заснований на подібній ідеї, яку я знайшов у дипломній роботі іншого автора (Джос Кістемакер, прим. Ред.). Він хотів досягти редукторного обертання двох частин двигуна - в основному це рух, подібний до двох передач. Однак ця ідея врешті не спрацювала. Читаючи його твір, мені спало на думку, що ми могли використати знання у припливному замку. Таким чином, я намалював кілька молекул-кандидатів, які оцінювали б параметри, необхідні для такого руху, і були синтетично доступними. Потім я привіз їх до Джоса, щоб за допомогою квантово-хімічних розрахунків підрахувати, що було б насправді доречно. Так була створена наша молекула, принаймні на папері.

Молекулярний обертання двигуна

Чи є аналогія орбіти Місяця навколо Землі випадковою, чи це було джерелом натхнення під час проектування молекул?

Основною мотивацією є постійний пошук нових, більш складних завдань і функцій для молекулярних машин. Однак ключовим моментом стало натхнення для попереднього, невдалого проекту. Спочатку ми розглядали нашу систему як ланцюг із приводом від зірочки, де одна і та ж сторона ланцюга завжди звернена до зірочки. Лише пізніше - для кращого розуміння читача - ми придумали аналогію віддаленої сторони Місяця.

Як ви контролювали обертання нафталіну?

Ми усвідомлювали, що енергетичні бар'єри окремих процесів, тобто наскільки легко вони протікають протягом руху, повинні відповідати деяким умовам. Це означає, що одні повинні бути значно швидшими або повільнішими за інші, але в той же час вони не можуть бути швидкими або занадто повільними. На початку потрібно було мати трохи хімічного почуття, щоб придумати перших кандидатів. Потім ми оптимізували їх за допомогою квантово-хімічних розрахунків. Наша оригінальна гіпотеза виявилася правильною, і врешті-решт молекула насправді працювала саме так, як мала.

Загальний синтез функціональних молекул, як правило, займає дуже багато часу. Скільки часу тривав синтез кінцевих сполук?

Дивно, але загальний синтез, як і експерименти, не зайняв багато часу, оцінюваного в 4-5 місяців. Це був, мабуть, найефективніший проект, над яким я працював до цього часу. Найскладніше було придумати оригінальну та функціональну ідею, а потім чітко написати весь проект.

Ви надіслали свою статтю до одного з найпрестижніших наукових журналів. Його твір відрізнявся від інших ваших публікацій?

Написання статті в науковому журналі зовсім не схоже на звичайні статті. Це має бути написано таким чином, щоб це могли зрозуміти навіть нехіміки, що було дуже складно в даному випадку - не у всіх така просторова уява. Тому нам нарешті довелося створювати прості анімації. Пікошка, яку я маю відкрити Бену (Ферінґ, зауваження редактора, керівник лабораторії), полягає в тому, що він відштовхнув нас від проекту на самому початку. Він думав, що це не спрацює. Нарешті, він знову поговорив з нами, щоб ми могли спробувати надіслати це Науці.

Ваш молекулярний двигун - це один із перших кроків до функціональних молекулярних машин. Це дослідження триватиме після того, як Ви залишите Групу Феринга?

Хоча я вже не є членом групи Бена, я переконаний, що цей проект буде продовжуватися. Це ще один приклад того, що наномашини на молекулярній основі можуть виконувати ще більш вимогливі багаторухові функції. У наш час недостатньо продемонструвати простий рух або функцію молекули. Для того, щоб нанотехнології рухались вперед, важливо розробити більш досконалі конструкції, які могли б конкурувати з тим, що ми бачимо в природі.

Ви розпочали свою кар’єру фотохіміком. Що спонукало вас приєднатися до групи Бена Ферінга та змінити фокус?

Я не повністю його змінив, скоріше сказав би, що розширився далі. Ферінга також займається фотохімією. Під час навчання в магістратурі я бачив його лекцію в Празі і був дуже схвильований. Він був одним із людей, яких я писав, коли я хотів піти на програму Еразмус. Він списав мене, і нарешті все вийшло. Тож мені теж дуже пощастило. Мене зачарувала ідея поєднання фотохімії з іншими дисциплінами, такими як надмолекулярна хімія, хімія поверхні та подібні. Закінчивши Еразмус, Бен рішуче переконав мене залишитися з ним на ступінь доктора. Спочатку я хотів поїхати вчитися в США, але я не отримав стипендію Фулбрайта, на яку подав документи, тому опинився у нього.

У вас добре вийшло у Бена Ферінга?

Бен дуже доброзичливий як начальник, він має справу зі студентами-бакалаврами. Він їде на роботу, як голландський, щодня 14 кілометрів на велосипеді і додому, незалежно від снігу чи дощу. Однак вона дуже зайнята, бували періоди року, коли ми не бачили цього кілька місяців. Тому робота в його групі вимагає величезної дози незалежності та власних ідей. Більшість з них насправді походять безпосередньо від керівників його учнів, або їм доводиться суттєво модифікувати його основну ідею і закінчити її в остаточній версії. Однак це може дуже добре мотивувати людей і підготувати їх до найкращих можливих умов. Він насправді наш менеджер.

Закінчивши докторську ступінь, ви вирушили до Чехії. Чи плануєте Ви і надалі зосереджуватись на супрамолекулярній хімії або у Вашому видошукачі є щось нове?

Кілька місяців тому я отримав грант, спрямований на залучення вчених з-за кордону - SoMoPro. Це чудовий проект, спільно організований Південноморавським регіоном та ЄС під егідою Програми Марії Кюрі. Тож протягом наступних трьох років я буду шукати шляхи активації та вивільнення молекул у живих організмах за допомогою видимого та інфрачервоного світла. Червоне та ближнє інфрачервоне світло (600-1000 нм) може проникати крізь тканину на глибину до декількох сантиметрів, і тому є чудовим кандидатом для неінвазивної та місцевої терапії. До цього часу ми мали деякі позитивні результати з вивільненням малих молекул (CO, H2S), які функціонують як сигнальні молекули в організмі. Однак у нас є кілька ідей щодо того, як вивільнити більші молекули, такі як ліки. Я вірю, що ми нарешті досягнемо успіху. Я думаю, що така система мала б велику користь, оскільки галузь ще перебуває у зародковому стані. Способи безпосереднього вивільнення ліків з органічної молекули за допомогою ближнього інфрачервоного світла можна перерахувати на пальцях однієї руки, і кожен із них має основні недоліки.