Немного обо всем, или все о немногом

Моторчик с молекулу

Давно известно, что молекулы, а вернее, электроны составляющих их атомов могут поглощать падающие на них фотоны – кванты света. И пусть энергия отдельного фотона ничтожна, когда их много – это сила. Именно поглощение фотонов «светоулавливающими» комплексами является движущей силой фотосинтеза, без которого просто невозможно себе представить жизнь на Земле.
Исследование светоулавливающего компонента у одной из пурпуровых бактерий показало, что возбужденный фотоном электрон, почти не теряя энергии, переходит от бактриохлорофилла к каротиноиду за какие-то 10–100 фемтосекунд. Это позволяет сохранить энергию фотона, которая без подобного перехода рассеивается всего лишь за 10^–13 с! Запасенная энергия расходуется на образование химических связей, в частности на превращение СО₂ в исходный «строительный блок» углеводов .
Поглощенные фотоны вынуждают молекулы претерпевать внутримолекулярные перестройки, т. е. изомеризоваться, что приводит к изменению цвета вещества. Такие молекулы – хромофоры («цветоносные») — меняют форму, или конформацию (как говорят ученые), что вызывает конформационные изменения несущих их белков. Подобные хромофор-протеиновые комплексы могут служить прекрасными фотосенсорами с высокой степенью чувствительности.
Примером является фотоактивный желтый протеин некоторых микроорганизмов (ФЖП), хромофор которого при фотоактивации (поглощение фотона) изомеризуется, модифицируя свою тиоэфирную связь с белком-носителем, что хорошо видно на рисунке.

Рис. Фотоактивный протеин: а – белок с хромофором (слева внизу); б – «темное» (I) и «светлое» (II) состояния хромофора

В своем исходном положении анион хромофора ковалентно связан с боковой цепью серосодержащей аминокислоты цистеина. Тиоэфирная связь придает белку ярко-желтый цвет, отвечающий длине волны 446 нм.
После фотоактивации хромофор «выцветает», т. е. становится бесцветным при длине волны 355 нм. При этом разрывается одна из водородных связей. Благодаря запасенной световой энергии осуществляется фотоцикл белка. Таким образом, ФЖП является прекрасным световым «рецептором», обеспечивающим активный фототаксис микробных клеток.
Но это все – микробная экзотика. А как молекулярные свойства фотоактивных молекул использовать во благо человека? С этой целью Герман Гауб из Мюнхенского университета «сконструировал» азобензоловый полимер, молекулы которого способны вовлекаться в рабочие циклы:

Основному состоянию молекул в этом полимере соответствует цисизомер, поглощающий свет с длиной волны 420 нм. При поглощении света преодолевается активационный барьер, относящийся к реакции изомеризации, и бензольные кольца оказываются в трансположении:

Образовавшийся трансизомер поглощает свет с меньшей длиной волны – 365 нм.
Для построения «молекулярного моторчика» была использована подложка из стекла, обладающего высокой степенью внутреннего отражения. На этой подложке были закреплены полимерные молекулы, подвергающиеся при освещении «растяжению» (эдакая искусственная молекулярная мышца). Для измерения «рабочего хода» молекул ученые использовали «стило» микроскопа атомной силы (АFМ), что позволило найти разницу длин фоточувствительных полимерных молекул, обусловленную взаимопревращениями оптически возбужденных изомеров.
Таким образом, может совершаться механическая работа за счет «оптического» сокращения длин полимерных молекул. Благодаря этому имеется возможность осуществлять прохождение ионов сквозь мембраны, создавать синтетические фоточувствительные системы, регулирующие геометрию и свойства биомолекул, органических соединений и супра- молекулярных комплексов.
Рабочим циклам «молекулярного моторчика» соответствует величина 4,5•10^–20 Дж. Этого вполне достаточно, чтобы заставить работать микронасосы наноуровня.
Такие микронасосы-помпы окажутся весьма полезными в разного рода трансплантатах будущего. Свет является лучшим источником энергии в подобных устройствах, поскольку не требует провод- ников и легко регулируется.

Материал подготовил
И.Э.ЛАЛАЯНЦ
(New Scientist, 2002, № 2343, p. 23;
Scienсе, 2002, № 5570, р. 1103;
Nature, 1998, № 6672, р. 206;
Nature, 2002, № 6888, р. 533)