eng
Просмотры: 952
14.02.2017
Группе химиков из Японии удалось побить установленный ею же рекорд самосборки молекулярных геометрических фигур.
Электронная плотность в многограннике, полученном самосборкой. Всего в нем 48 вершин, 96 ребер, 8 треугольных граней и 42 квадратных
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.
Самосборка — самопроизвольный процесс, в ходе которого происходит упорядочение частиц и организация их в симметричные объекты. Благодаря этому белковые оболочки многих вирусов — капсиды — обладают правильными геометрическими формами (к примеру, икосаэдрические «головки» бактериофагов). Самоорганизация, по сравнению с методами пошагового наращивания каркасов, позволяет гораздо быстрее получать достаточно сложные конструкции.
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 возникла идея выбрать модели, легче поддающиеся исследованиям, и попытаться понять природу на их основе.
Среди традиционных объектов самосборки — правильные и полуправильные многогранники. В простейшем случае для того, чтобы обеспечить условия для самосборки, требуется подобрать компоненты, которые будут играть роль вершин и ребер многогранников. Химические взаимодействия заставляют компоненты постепенно слипаться, а стремление получить как можно меньшую потенциальную энергию структуры запускает перестройку скелета и делает его симметричным.
Строение правильных и полуправильных многогранников, которые были синтезированы (или, в случае M60L120, планировалось синтезировать).
Группа Макото Фудзиты использует стратегию сборки, в которой роль вершин выполняют атомы палладия, а ребра представляют собой изогнутые органические молекулы, способные связываться двумя своими концами с металлом. С ее помощью химики уже синтезировали октаэдры (Pd6L12), кубоктаэдры (Pd12L24), ромбокубоктаэдры (Pd24L48) и икосододекаэдры (Pd30L60). В новой работе ученые пытались получить ромбоикосододекаэдр (Pd60L120), состоящий из 12 правильных пятиугольников, 30 квадратов и 20 треугольников.
Строение аналога многогранника Голдберга, который химики получили путем самосборки вместо ромбоикосододекаэдра
Химики добились условий, в которых палладий очень медленно взаимодействовал с селенорганическими лигандами — время роста кристаллов достигало двух месяцев. Однако рентгеноструктурный анализ полученных материалов показал, что вместо ромбоикосододекаэдра образовались многогранники, состоящие из восьми треугольников и 24 квадратов (Pd30L60). Их симметрия и топология напоминает собой многогранники Голдберга, состоящие из ровно 12 правильных пятиугольников и меняющегося числа правильных шестиугольников, за исключением того, что в каждой вершине сходятся не три, а четыре ребра.
Теоретическое моделирование показало, что в ряду многогранников Голдберга из треугольников и квадратов большей устойчивостью должна обладать более крупная конструкция из 48 вершин и 96 ребер. Ученые с помощью рентгеновских методов отобрали кристаллы, характеристики которых не были похожи на Pd30L60 и подтвердили, что среди образовавшихся каркасов были и Pd48L96. Химики отмечают, что расшифровка картин рентгеновского рассеяния для таких крупных каркасов осложнена — из-за большого объема полостей эти структуры больше напоминают кристаллы белков.
Еще одним распространенным подходом к самосборке различных структур является техника ДНК-оригами. Она основана на подборе коротких комплементарных цепочек, способных склеивать в нужных местах большие молекулы ДНК. Недавно с помощью этой техники химики воспроизвели картину Ван Гога «Звездная ночь». Также мы сообщали о том, химики из Университета Тунцзи (Шанхай), синтезировали с помощью традиционной самосборки небольших молекул фрактальную салфетку Серпинского.
Комментарии читателей
