Nobel-2016. Kimyo. Molekulyar mashinalar.

Kimyo bo‘yicha Nobel-2016 mukofotini olimlar Jan-Pyer Savaj, Bernard Feringa va Jeyms Freyzer Stoddartlarga topshirildi. Mukofot rasmiy veb-saytida e’lon qilingan press-relizda keltirilishicha, olimlarga mukofot ularning «molekulyar mashinalarni sintez qilganliklari uchun» degan ta’rif bilan berilgan. Xo‘sh, ushbu ilmiy ish, ya’ni, molekulyar mashinalarning amaliy ahamiyati qanday? Quyida ushbu savol yuzasidan qisqacha sharh berishga harakat qilamiz.

Avvalo, ushbu nufuzli mukofotga sazovor bo‘lgan olimlarning o‘zi haqida to‘xtalsak. Ular ichida eng yoshi kattasi — ser Freyzer Stoddart 1942-yilning 24-may sanasida Edinburgda (Shotlandiya) tug‘ilgan. Hozirda AQSHning Illinoys shtati, Evanstondagi Shimoliy-g‘arbiy Universitetida kimyo professori. Ikkinchi laureat — Jan-Pyer Savaj esa ismidan ham ko‘rinib turibdiki — fransuz. U 1944-yilning 21-oktyabrida Parijda tug‘ilgan bo‘lib, hozirda Fransiyaning Strasburg universitetida koordinatsion kimyo bo‘yicha tadqiqotlar olib boradi. Uchinchi laureat — Bernard Feringa 1951-yilning 18-may sanasida Gollandiyaning Barger-Kompaskuum shahrida tug‘ilgan. U hozirda Gollandiyaning Groningen Universitetida fan doktori unvoni bilan faoliyat ko‘rsatadi va bir vaqtning o‘zida, Gollandiya Qirollik Fanlar Akademiyasining vitse-prezidenti sanaladi.

Demak, qayd etilganidek, ushbu uch nafar olim, ushbu 2016-yilda ilm-fan sohasidagi eng nufuzli mukofot bo‘lmish — Nobel mukofotiga sazovor bo‘lishdi. Ularga molekulyar mashinalarni sintez qilishgani uchun mukofot berilgani deyarli hamma OAVlarda qayta-qayta takrorlandi. o‘sha molekulyar mashinalar o‘zi nima va undan odamlar uchun qanday naf bor?

Avvalo mashina deganining o‘zi haqida to‘xtalib o‘tsak. Biz mashina deganda bir turdagi energiyani boshqa bir turdagi energiyaga aylantirib beradigan vositani nazarda tutamiz. Masalan, hammamiz ko‘rib, ko‘nikib o‘rganib qolgan avtomobil mashinalari — ichki yonuv dvigatelida yongan yoqilg‘i energiyasini harakatga aylantirib beradi. Bugungi texnika taraqqiyoti zamonasida odamlarni har tomondan mashinalar qurshab olgan. Maishiy turmushda biz elektr energiyasini harakatga aylantirib yoki, uning vositasida ish bajarib beradigan mashinalardan keng foydalanamiz. Masalan, kofe-maydalagich mashina, blender, kir yuvish mashinasi va ho kazolar shular jumlasidandir. Biz bunday mashinalarga allaqachon o‘rganib qolganmiz. Lekin, tirik to‘qimalardan iborat molekulyar mashinalar haqida bunday deyishning iloji yo‘q. Oramizda ko‘pchilik molekulyar mashinalar haqida hatto ilgari eshitmagan bo‘lsa ham kerak.

Biologik-molekulyar mashinalar siz bilan biz ko‘nikib qolgan texnikadagi mashinalarga umuman o‘xshamaydi. Bunday mashinalarda g‘ildiraklar, tishli uzatmalar, zanjirlar mavjud bo‘lmaydi. Rotorlar ham deyarli yo‘q. Lekin, bu degani, molekulyar mashinalarni yasashga urinib ko‘rish kerakmas degani emas.

Mukofot egalari bo‘lgan kimyogarlar o‘z ilmiy ishlarida shunday molekulyar mashinalarning ayrim qismlarini (komponentlarini) texnikadagi mashinalarning qismlariga o‘xshatib tayyorlashga urinib ko‘rganlar. Faqat bunda «mashina»ning alohida qismlari — alohida molekulalardan tashkil topadi. Mexanikada «mexanik bog‘lanish» degan tushuncha mavjud. U masalan, velosipeddagi singari zanjirni nazarda tutadi. Velosiped zanjirida ham barcha qismlarni alohida-alohida olib qarash mumkin. lekin ular bir-biri bilan harakatli bog‘langan va ulardan birini tortilsa, u qolganlarini ham tortib chiqib keladi. Aynan shu narsani molekulalar yordamida ham amalga oshirish mumkin.

Lekin buning uchun molekulalarni zanjir shaklida o‘zaro tutashtirishni uddalay bilish kerak. Bir-biri bilan halqa ko‘rinishida topologik bog‘langan molekulalarni katenanlar deyiladi. Gimeney halqasi shunday katenanlarga misol sifatida qaralishi mumkin. Katenan zanjirlarini o‘zaro ajratishda zanjirlarni uzmasdan halqalarni butun chiqarib olishning ilojisi yo‘q. Nobel-2016 ning kimyo mukofoti egalaridan biri Jan-Pyer Savaj, molekulalar orasidagi bog‘lanishni kimyoviy emas (ya’ni, atomlarning bir-biri bilan bog‘lanishi orqali emas) balki mexanik usulda amalga oshirishni uddasidan chiqqan. Ya’ni, Savajning ilmiy tajribalarida organik molekulalar o‘zaro topologik bog‘langan bo‘lib, mohiyatan bu molekulalar katenlangan deyish mumkin. Bunday natijaga u kimyoviy sintez yo‘li bilan erishgan. Agar shunday molekulyar zanjirlarni kerakli uzunlikda va tartibda tayyorlashni yo‘lga qo‘yilsa, ularni keyinchalik qandaydir bir molekulyar mashinaning tarkibiy qismi sifatida qo‘llash mumkin. Masalan, shunday molekulyar zanjirlardan bir nechtasini o‘zaro ulab, keyin esa ularga kimyoviy yoki fizik ta’sir ko‘rsatish orqali molekulyar prujina tayyorlash mumkin. aytgancha, hujayralarda halqasiman katenlangan DNK molekulalari ko‘p uchraydi, lekin ularga shu choqqacha hech kim bunday nuqtai nazardan qaramagan edi.

Ikkinchi laureat Freyzer Stoddart esa yanada murakkabroq ishga qo‘l urgan. Uning molekulyar mashinasi mexanika nuqtai nazaridan qaraganda, liftga o‘xshaydi. Stoddartning molekulyar lifti quyidagicha ishlaydi: tasavvur qiling, sizda xuddi relslarga o‘xshash uzun molekula mavjud. Biroq, relslarning boshi va oxiri qandaydir yirik kimyoviy guruh orqali bloklab qo‘yilgan. Amalda molekulyar «gantel»ga o‘xshash narsa hosil bo‘lmoqda. Stoddart ushbu «gantel»ning oraliq chiziqli qismiga «relslariga» halqali molekulani joylashtirib qo‘yishga muvaffaq bo‘lgan. Uning halqasimon molekulasining halqa diametri «gantel»ning har ikkala uchini to‘sib, bloklab turgan kimyoviy guruh (shar) diametridan kichik. Shu sababli, relsga o‘rnatilgan halqali molekula undan chiqib ketmaydi. Aynan shunday molekulyar konstruksiya orqali juda xilma-xil kimyoviy, biologik tajribalar o‘tkazish mumkin. Masalan, relslar oxirini bloklab turgan kimyoviy guruhlarning har ikkisi ikki xil xossaga ega bo‘lsa, aytaylik, ularning zaryad ishoralari turlicha bo‘lsa, ular oralig‘idagi relsga o‘rnatilgan halqa molekulani ham, kimyoviy bloklovchi guruh elektr maydoni ta’sirida harakatga keltirish mumkin bo‘ladi. Agar o‘sha halqa molekulaga qandaydir yuk ilib qo‘yilsa, halqa molekulyar yukni tashib yurishi mumkin bo‘ladi. Bunday molekulyar konstruksiya orqali ham molekulyar biologiya va kimyo mutaxassislari juda qiziqarli va foydali molekulyar qurilmalar tayyorlashlari mumkin. Bunday liftlarni tirik to‘qimalaraga o‘rnatish orqali esa, yanada murakkabroq molekulyar konstruksiyalarni shakllantirish mumkin bo‘ladi. Shu kabi molekula lift orqali bajarilish mumkin bo‘lgan eng zarur va osonroq vazifalardan biri — aytaylik dori vositasini aynan kerakli, zararlangan hujayraga eltish bo‘lishi mumkin. An’anaviy tarzda, ya’ni, ovqat orqali, yoki, bir stakan suv bilan ichiladigan dori tabletkalari kerakli manzilga — zararlangan hujayraga yetib borgunicha, organizmdagi sog‘lom hujayralar orqali ham o‘tib boradi va ularga zarar yetkazish ehtimoli mavjud. Molekulyar lift esa, zararlangan hujayraning o‘ziga zarur dozadagi dori moddasini eltib berishi va dorilarning samaradorligini orttirishi kutilmoqda. Aytganimizdek, bu molekulyar lift beradigan imkoniyatlarga faqat bitta misol xolos.

Laureatlar ichida eng yoshi — Bernard Feringa esa molekulyar rotor tayyorlagan. Buning uchun Feringa yo‘naltirilgan harakatni molekulyar miqyosda amalda tashkillashi talab qilinar edi. Feringa amalda aylanma harakatni molekulyar miqyosda va molekulyar mashinalar vositasida bajarishni uddaladi. Feringa molekulyar rotorida molekulalarning bir qismi boshqa bir qismi atrofida aylanma harakat qilib, bir marta to‘liq aylanishni amalga oshirgach, yana o‘zining boshlang‘ich holatiga qaytadi. Feringa muayyan atomlar orasida qo‘shbog‘ bog‘lanishlariga ega bo‘lgan sikllardan foydalangan holda, ajoyib aromatik struktura yig‘ishga muvaffaq bo‘lgan. Qo‘shbog‘lar juda qattiq bo‘lib, ularning atrofida qandaydir aylanma harakatni bajarishning iloji yo‘q. Lekin, Feringa qo‘shbog‘larga nisbatan biroz «mug‘ombirlik» ishlatib, ularni o‘ziga bo‘ysunuvchan harakat qilishga majbur qila oldi. Feringa muayyan turdagi qo‘shbog‘larga ma’lum bir tashqi ta’sirlar ko‘rsatilsa, masalan, muayyan to‘lqin uzunligidagi yorug‘lik bilan ta’sir berilsa, qo‘shbog‘ yakkaboqqa aylanib qolishi va shu holatda ular atrofida aylanma harakatni amalga oshirish mumkinligini amalda isbotlagan. Olim geometrik va kimyoviy jihatdan juda-juda murakkab bo‘lgan, atomlari maxsus tarzda joylashtirilgan qo‘shbog‘lar orqali bog‘langan va yorug‘likka ta’sirchan bo‘lgan molekulalarni sintez qilishga muvaffaq bo‘ldi. Agar shunday molekulaga yorug‘lik bilan davriy ta’sir ko‘rsatilsa, undagi qo‘shbog‘lar darhol yakkalik bog‘larga aylanadi va molekula o‘zining markaziy qo‘zg‘almas qismi atrofida aylana boshlaydi. Shunday qilib, Feringa tarixda birinchi bo‘lib, molekulyar rotorni tayyorlashga muvaffaq bo‘ldi. Feringa molekulyar rotori kelajak molekulyar mashinalarining motorlari uchun xizmat qilishi ko‘zda tutilmoqda. Unga energiyani esa yorug‘lik beradi va ushbu energiyani Feringa rotori foydali ishga aylantirishi, aytaylik yuk tashish uchun ishlatishi mumkin. Biz velosiped pedallarini o‘z energiyamiz bilan, oyoqlarimiz vositasida aylantiramiz va shu orqali, energiyamizni harakatga aylantiramiz. GES to‘g‘onlarida suv turbinalarni aylantiradi va turbina harakatidan elektr energiyasi olinadi. Shularga o‘xshash tarzda, yorug‘lik energiyasi ham Feringa molekulyar rotorini aylantirishi, o‘z navbatida molekulyar rotor esa foydali ish bajarishi, yoki, yana biror narsani aylantirishi mumkin.

Shu paytgacha hech kim molekulalarni zanjir yoki katenanlarga bog‘lay olgan emasdi. Nobel-2016 ning kimyo bo‘yicha mukofot sohiblarining ishlari ushbu yo‘nalishda ilk qadamlar sifatida tashlandi va molekulyar mashinalar texnologiyasi faniga poydevor qura boshladi deyish mumkin. Ushbu fan sohasining keyingi taraqqiyotini kuzatib boramiz. Harholda, mutaxassislar bu yo‘nalishda yaqin yillarda aql bovar qilmas ilmiy yutuqlar va mo‘jizaviy natijalarni taxmin qilishmoqda.