Роторные молекулярные двигатели были впервые созданы в 1999 году в лаборатории Бена Феринги, профессора органической химии в Университете Гронингена. Эти двигатели приводятся в действие светом. По многим причинам было бы хорошо иметь возможность сделать эти моторные молекулы видимыми. Лучший способ сделать это - заставить их флуоресцировать. Однако объединить две светопосредованные функции в одной молекуле довольно сложно. Лаборатория Феринга в настоящее время преуспела именно в этом, причем двумя различными способами. Эти два типа флуоресцирующих вращающихся двигателей с приводом от света были описаны в Nature Communications (30 сентября) и Science Advances (4 ноября).

"После успешного проектирования молекулярных двигателей в последние десятилетия следующей важной целью было управление различными функциями и свойствами с помощью таких двигателей", - объясняет Феринга, который разделил Нобелевскую премию по химии в 2016 году. "Поскольку это вращающиеся двигатели с легким приводом, особенно сложно спроектировать систему, которая имела бы еще одну функцию, управляемую световой энергией, в дополнение к вращательному движению".

Феринга и его команда были особенно заинтересованы в флуоресценции, поскольку это основной метод, который широко используется для обнаружения, например, в биомедицинской визуализации. Обычно два таких фотохимических события несовместимы в одной и той же молекуле; либо двигатель, приводимый в действие светом, работает, и флуоресценция отсутствует, либо флуоресценция есть, а двигатель не работает. Феринга говорит: "Теперь мы продемонстрировали, что обе функции могут существовать параллельно в одной и той же молекулярной системе, которая довольно уникальна".

Реджун Тойода, аспирант-исследователь группы Feringa, который сейчас занимает должность профессора в Университете Тохоку в Японии, добавил флуоресцентный краситель в классический роторный двигатель Feringa. "Хитрость заключалась в том, чтобы эти две функции не блокировали друг друга", - говорит Тойода. Ему удалось подавить прямое взаимодействие между красителем и двигателем. Это было сделано путем размещения красителя перпендикулярно верхней части двигателя, к которому он был прикреплен. "Это ограничивает взаимодействие", - объясняет Тойода.

Разные цвета

Таким образом, флуоресценция и вращательная функция двигателя могут сосуществовать. Кроме того, оказалось, что смена растворителя позволяет ему настраивать систему: "Изменяя полярность растворителя, можно изменить баланс между обеими функциями". Это означает, что двигатель стал чувствительным к окружающей среде, что может указать путь для будущих применений.

Соавтор Ширин Фараджи, профессор теоретической химии в университете Гронингена, помогла объяснить, как это происходит. Киана Могаддам, постдок в своей группе, провела обширные квантово-механические расчеты и продемонстрировала, как ключевые энергетические параметры, управляющие динамикой фото-возбуждения, сильно зависят от полярности растворителя.

Еще одним полезным свойством этой флуоресцирующей моторной молекулы является то, что к ней могут быть присоединены различные красители, если они имеют схожую структуру. "Таким образом, относительно легко создавать двигатели, которые светятся разными цветами", - говорит Тойода.

Антенна

Второй флуоресцентный двигатель был сконструирован Лукасом Пфейфером, также работавшим в качестве постдокторского исследователя в группе Феринга. С тех пор он поступил в Федеральную политехническую школу в Лозанне, Швейцария: "Мое решение было основано на уже созданной мной молекуле двигателя, которая приводится в движение двумя низкоэнергетическими фотонами ближнего инфракрасного диапазона". Двигатели, приводимые в действие ближним инфракрасным излучением, полезны в биологических системах, поскольку этот свет проникает глубже в ткани, чем видимый свет, и менее вреден для тканей, чем ультрафиолетовый свет.

"Я добавил антенну к молекуле двигателя, которая собирает энергию двух инфракрасных фотонов и передает ее двигателю. Работая над этим, мы обнаружили, что при некоторых модификациях антенна также может вызывать флуоресценцию", - говорит Пфейфер. Оказалось, что молекула может иметь два разных возбужденных состояния: в одном состоянии энергия передается двигательной части и приводит во вращение, в то время как другое состояние заставляет молекулу флуоресцировать.

Сила

"В случае этого второго двигателя флуоресцирует вся молекула", - объясняет профессор Максим Пшеничников, который провел спектроскопический анализ обоих типов флуоресцентного двигателя и который является соавтором обеих работ. "Этот двигатель представляет собой одно химическое образование, на котором волновая функция не локализована и, в зависимости от уровня энергии, может иметь два различных эффекта. Изменяя длину волны света и, следовательно, энергию, которую получает молекула, вы получаете либо вращение, либо флуоресценцию". Фараджи добавляет: "Наш синергетический подход в принципе и на практике подчеркивает взаимосвязь между теоретическими и экспериментальными исследованиями, и это иллюстрирует мощь таких объединенных усилий".

Теперь, когда команда объединила движение и флуоресценцию в одной молекуле, следующим шагом было бы показать подвижность и определить местоположение молекулы одновременно, отслеживая флуоресценцию. Феринга говорит: "Это очень мощный метод, и мы могли бы применить его, чтобы показать, как эти двигатели могут проходить через клеточную мембрану или перемещаться внутри клетки, поскольку флуоресценция - широко используемый метод, позволяющий показать, где находятся молекулы в клетках. Мы также могли бы использовать его для отслеживания движения, вызванного двигателем с питанием от света, например, на наноразмерной траектории или, возможно, для отслеживания транспорта, вызванного двигателем, на наноуровне. Все это является частью последующего исследования".