Peter Štacko публикува изследване за развитието на молекулярния двигател като част от изследователската група на миналогодишния носител на Нобелова награда за химия.

проекта

В бъдеще ученият Peter Štacko иска да търси начини за активиране и освобождаване на молекули в живите организми, използвайки видима и инфрачервена светлина. „Червената и близка инфрачервена светлина (600-1000 nm) може да проникне през тъканта на дълбочина от няколко сантиметра и следователно е отличен кандидат за неинвазивна и в същото време локална терапия“, казва фотохимикът Štacko.

Как бихте описали накратко молекулярния двигател на вашата научна статия?

Молекулярният двигател се основава на класически молекулярен двигател, разработен в групата на Бен Феринг (носител на Нобелова награда 2016 г., бел. Ред.). Това всъщност е една малка молекула, чиито две части могат да се въртят една срещу друга при определени условия. Както всички двигатели от работилницата Fering, и този се захранва от светлина. Тъй като искахме да покажем, че можем да прехвърлим първичното движение (въртене) на молекулярния двигател към други компоненти, трябваше да модифицираме оригиналния дизайн, като добавих въображаемо острие, което беше образувано от нафталин.

Словак, публикуван в Science, разработи молекулярен двигател с носителя на Нобелова награда за химия

Която служи като източник на енергия за споменатия молекулярен двигател?

Основният енергиен източник е светлината, в този случай UVA светлината. Цикълът на едно въртене на двигателя се състои от четири стъпки, две задвижвани от светлина (фотохимични стъпки) и две, задвижвани от топлина (термични стъпки). Двигателят е проектиран така, че стайната температура да е достатъчна за хода на термичните стъпки, т.е. около 25 градуса. Двигателят прави средно един оборот за 10 секунди.

Питър Стачко (1987)

е фотохимик. След като учи в университета Masaryk в Бърно, той се премества в Холандия, където работи върху разработването на молекулярни машини и двигатели в групата на миналогодишния носител на Нобелова награда за химия Бен Феринг. В момента той работи върху разработването на системи в Чешката република, които биха могли да отделят молекули в биологичните тъкани след облъчване със светлина. През юни той и колегите му публикуваха статия в престижното списание Science.

Това беше нов проект или продължение на съществуващите изследвания?

Този проект се основава на подобна идея, която открих в дипломната работа на друг автор (Jos Kistemaker, бел. Ред.). Искаше да постигне завъртане на двете части на двигателя - основно движение, подобно на две предавки. Тази идея обаче в крайна сметка не проработи. Докато четях работата му, ми хрумна, че можем да използваме знанията по прилив и отлив. По този начин нарисувах няколко кандидат-молекули, които да оценят параметрите, необходими за такова движение, и бяха синтетично достъпни. След това ги заведох в Джос, за да използва квантово-химични изчисления, за да изчисли кое би било наистина подходящо. Така е създадена нашата молекула, поне на хартия.

Молекулярно въртене на двигателя

Случайна ли е аналогията с орбитата на Луната около Земята или е била източник на вдъхновение по време на проектирането на молекули?

Основната мотивация е постоянното търсене на нови, по-сложни задачи и функции за молекулярни машини. Ключът обаче беше вдъхновението за предишния, неуспешен проект. Първоначално разглеждахме нашата система като верига, задвижвана от зъбно колело, където една и съща страна на веригата винаги е обърната към зъбното колело. Едва по-късно - за по-добро разбиране на читателя - измислихме аналогия на далечната страна на Луната.

Как контролирахте въртенето на нафталина?

Ние бяхме наясно, че енергийните бариери на отделните процеси, т.е. колко лесно текат през цялото движение, трябва да отговарят на някои условия. Това означава, че някои трябва да бъдат значително по-бързи или по-бавни от други, но в същото време те не могат да бъдат бързи или твърде бавни. В началото беше необходимо да има малко химическо усещане, за да излезе с първите кандидати. Впоследствие ги оптимизирахме с помощта на квантово-химични изчисления. Оригиналната ни хипотеза се оказа вярна и в крайна сметка молекулата действително работеше точно както трябва.

Общият синтез на функционални молекули обикновено отнема много време. Колко време отне синтеза на крайните съединения?

Изненадващо, цялостният синтез, както и експериментите, не отнеха много време, изчислено на 4-5 месеца. Това беше може би най-ефективният проект, по който съм работил досега. Най-трудното беше да измислите оригинална и функционална идея и след това да напишете целия проект ясно.

Изпратихте статията си в едно от най-престижните научни списания. Неговото писане се различаваше от другите ви публикации?

Писането на статия в списание Science е съвсем различно от обикновените статии. Тя трябва да бъде написана по такъв начин, че дори нехимиците да могат да я разберат, което в този случай беше много трудно - не всеки има такова пространствено въображение. Ето защо най-накрая трябваше да създадем прости анимации. Пикошка, която трябва да разкрия на Бен (Феринг, бел. На редактора, ръководител на лабораторията), е, че той ни отблъсна от проекта в началото. Мислеше, че няма да работи. Накрая той отново заговори с нас, за да можем да се опитаме да го изпратим на Science.

Вашият молекулярен двигател е една от първите стъпки към функционалните молекулярни машини. Това изследване ще продължи, след като напуснете Fering Group?

Въпреки че вече не съм част от групата на Бен, убеден съм, че този проект ще продължи. Това е друг пример, че молекулярно базирани наномашини могат да изпълняват още по-взискателни функции с много движение. В днешно време не е достатъчно да се демонстрира просто движение или функция на молекулата. За да се движат напред нанотехнологиите, от съществено значение е да измислим по-сложни дизайни, които да се конкурират с това, което виждаме в природата.

Започнахте кариерата си като фотохимик. Какво ви мотивира да се присъедините към групата на Бен Феринг и да промените фокуса си?

Не го промених напълно, по-скоро бих казал, че разширих допълнително. Феринга се занимава и с фотохимия. По време на магистърското си обучение видях лекцията му в Прага и бях много развълнуван. Той беше един от хората, които написах, когато исках да отида в програмата „Еразъм“. Той ме отписа и накрая се получи. Така че имах и голям късмет. Бях очарован от идеята да комбинирам фотохимия с други дисциплини, като супрамолекулна химия, повърхностна химия и други подобни. След като завърши Еразъм, Бен силно ме убеди да остана с него за докторат. Първоначално исках да уча в САЩ, но не получих стипендията на Фулбрайт, за която кандидатствах, така че се озовах при него.

Добре се справихте в Бен Феринг?

Бен е много приятелски настроен като шеф, занимава се с студенти бакалаври. Той ходи на работа като холандец, всеки ден по 14 километра с колело и обратно вкъщи, независимо дали вали сняг или вали. Въпреки това е много натоварен, имаше периоди от годината, когато не го виждахме по няколко месеца. Следователно работата в неговата група изисква огромна доза независимост и собствените му идеи. Повечето от тях всъщност идват директно от главите на неговите ученици, или трябва да модифицират значително основната му идея и да я завършат във финалната версия. Той обаче може много добре да мотивира хората и да ги подготви за възможно най-добрите условия. Той всъщност е нашият мениджър.

След като завършихте докторат, се насочихте към Чехия. Планирате ли да продължите да се фокусирате върху супрамолекулната химия или имате нещо ново във визьора си?

Преди няколко месеца получих грант, насочен към привличане на учени от чужбина - SoMoPro. Това е отличен проект, съорганизиран от Южноморавския регион и ЕС под егидата на програмата Мария Кюри. Така че през следващите три години ще търся начини за активиране и освобождаване на молекули в живите организми, използвайки видима и инфрачервена светлина. Червената и близка инфрачервена светлина (600-1000 nm) може да проникне през тъканта на дълбочина от няколко сантиметра и следователно е отличен кандидат за неинвазивна и локална терапия. Засега имаме някои положителни резултати с освобождаването на малки молекули (CO, H2S), които функционират като сигнални молекули в тялото. Имаме обаче някои идеи как да освободим по-големи молекули, като лекарства. Вярвам, че най-после ще успеем. Мисля, че подобна система би била голяма полза, защото индустрията все още е в начален стадий. Начините за директно освобождаване на лекарства от органична молекула с близка инфрачервена светлина могат да бъдат преброени на пръстите на едната ръка и всеки от тях има големи недостатъци.