"Можливості величезні": як у Харкові будують молекулярний конструктор майбутнього

Попри повномасштабну війну, яка докорінно змінила життя України, харківські науковці продовжують досліджувати світ, шукати відповіді на складні запитання та створювати нові технології.

І науковий пошук не обмежується стінами лабораторій: цікавість до того, як влаштований світ, властива кожному, хто хоча б раз замислювався над природою звичних речей.

Уявіть, що ви намагаєтеся з’єднати дві деталі «хімічного конструктора». Класична хімія діє радикально: вона зшиває атоми намертво за допомогою міцних ковалентних зв’язків.

Але природа працює інакше. Наша ДНК, ферменти та клітинні рецептори тримаються разом завдяки слабким, але точним «рукостисканням» – нековалентним взаємодіям, тобто без утворення «класичних» хімічних зв’язків.

Науку, яка досліджує ці молекулярні ансамблі, назвали супрамолекулярною хімією, або «хімією за межами молекули».

До речі, цей вислів належить одному із засновників супрамолекулярної хімії, а саме Нобелівському лауреатові Жан-Марі Лену.

Розуміння того, як молекули взаємодіють між собою, відкриває шлях до створення нових «розумних» матеріалів та технологій майбутнього, здатних змінювати навіть наше повсякденне життя.

Про це «Громаді» розповіла керівниця Центру колективного користування науковим обладнанням «Молекулярні та супрамолекулярні функціональні матеріали» НТК «Інститут монокристалів» НАНУ, кандидатка хімічних наук, старша дослідниця Ольга Колосова.

За останні десятиліття цей дивовижний напрям приніс своїм дослідникам щоякнайменше три Нобелівські премії.

1987 рік: молекулярний ключ та замок. Все почалося з наукового випадку. У 1967 році американський хімік Чарльз Педерсен випадково отримав дивну сполуку, схожу на корону (її так і назвали – краун-етер). Виявилося, що ця «корона» вміє вибірково ловити у свою порожнину іони певних металів, наче пастка.

Згодом французький вчений Жан-Марі Лен та американець Дональд Крам перетворили це випадкове відкриття на цілу філософію.

Вони навчилися створювати штучні молекули-господарі, які могли розпізнавати конкретні молекули-гості за принципом «ключ до замка». Саме Жан-Марі Лен дав назву цій дисципліні, яка у 1987 році принесла трійці вчених Нобелівську премію. Вони довели: молекули можуть «спілкуватися» між собою, не зливаючись в одну структуру.

2016 рік: молекулярні машини. Якщо ми вже знаємо як молекули розпізнають одна одну, чому б не зібрати з них робота?

У 2016 році Нобелівську премію з хімії отримали Жан-П'єр Соваж, Фрейзер Стоддарт і Бернард Ферінга за створення молекулярних машин. Вони здійснили революцію, з’єднавши молекули не хімічним зв’язком, а механічно – як ланки в ланцюгу або кільця в фокусах ілюзіоністів.

Використовуючи принципи супрамолекулярного самозбирання, вчені змусили деталі майбутніх машин самостійно шукати свої місця.

У результаті світ побачив найменші у світі мотори, ліфти та навіть крихітний повнопривідний «автомобіль» розміром у кілька нанометрів.

У 1999 році нідерландський хімік Бернард Ферінга очолив перше дослідження зі створення молекулярного двигуна, який безперервно обертається в тому самому напрямку.

У 2011 році його група створила наномобіль з повним приводом: молекулярне шасі, що утримує чотири двигуни, які виконували функцію коліс.

Коментуючи нобелівську нагороду, він сказав: «Я почуваюся трохи як брати Райт, які сто років тому здійснили свій перший політ, і люди казали: навіщо нам літальний апарат? А тепер у нас є Boeing 747 та Airbus».

Він додав: "Можливості величезні".

Сьогодні ці технології прокладають шлях до «розумних» ліків, які доставлятимуть діючу речовину точно до цілі, наприклад, у пухлину.

2025 рік: металоорганічні каркаси (MOF). А зовсім нещодавно, у 2025 році, ми спостерігали черговий тріумф супрамолекулярного підходу: Нобелівську премію з хімії отримали Сусуму Кітагава, Річард Робсон та Омар Ягхі за розробку металоорганічних каркасів (MOF).

Вони взяли іони металів за вузли, а органічні молекули за перекладини у необхідних пропорціях та дозволили їм самостійно зібратися у тривимірні решітки.

Вийшли неймовірно красиві «будівельні ліси» на молекулярному рівні.

Про це «Громада» писала тут:

 

Нобелівська премія з хімії: закляття Незримого розширення

Головна перевага MOF – їхня фантастична пористість. Якщо розгорнути один грам такого порошку, його площа може покрити ціле футбольне поле!

Ці супрамолекулярні структури можуть працювати як супер-поглиначі: вони вловлюють вуглекислий газ із повітря, зберігають водень для екологічного транспорту та допомагають видобувати воду навіть із сухого пустельного повітря.

Сьогодні знання про молекулярне розпізнавання, утворення комплексів і керування властивостями речовин вже знаходять застосування у створенні нових лікарських систем, засобів діагностики, молекулярних сенсорів і матеріалів для високотехнологічних галузей.

Важливим кроком у розвитку цього напряму в Україні став інфраструктурний проєкт «СупраХа» (SupraKha), який реалізує команда Інституту хімії функціональних матеріалів НТК «Інститут монокристалів» НАНУ за підтримки Национального фонду досліджень України.

Проєкт, сама назва якого натякає на любов команди виконавців до рідного міста, Харкова, спрямований не лише на проведення передових досліджень у галузі супрамолекулярної хімії, а й на створення сучасної дослідницької інфраструктури, доступної для ширшої наукової спільноти України.

– Наукова складова «СупраХа» зосереджена на створенні нових супрамолекулярних систем для медико-біологічного та ветеринарного застосування, – пояснює Ольга Колосова. – Йдеться, зокрема, про комплекси типу «господар–гість», ротаксани та псевдоротаксани – молекулярні конструкції, у яких властивості окремих компонентів, барвників або ліків, поліпшуються завдяки взаємодії з макроциклічними сполуками.

Для формування таких систем дослідники використовують молекулярні рецептори, здатні вибірково взаємодіяти з іншими молекулами.

Такі дослідження мають два важливі прикладні вектори.

Перший – створення нових флуоресцентних сполук і систем, які можуть підвищувати чутливість та надійність медико-біологічних досліджень.

Другий – розроблення супрамолекулярних комплексів із біологічно активними речовинами, властивості яких потенційно дають змогу покращувати біодоступність і контролювати вивільнення діючих компонентів ветеринарних препаратів.

– Такі системи потребують всебічного експериментального дослідження, перш ніж можуть знайти практичне застосування, - розповідає Ольга Колосова. – Саме тому вирішальне значення має створення сучасної наукової інфраструктури – насамперед оснащення лабораторій високотехнологічним обладнанням, здатним забезпечити комплексне вивчення молекулярних взаємодій, структури, оптичних властивостей і функціональних характеристик нових матеріалів.

Закупівля та введення в експлуатацію новітніх наукових приладів, організація тренінгів, наукових семінарів і професійного обміну створюють умови для розвитку досліджень у галузі супрамолекулярної хімії та появи нових наукових результатів.

Саме тому одним із ключових результатів інфраструктурного проєкту «СупраХа» стало створення Центру колективного користування науковим обладнанням (ЦККНО) «Молекулярні та супрамолекулярні функціональні матеріали».

Хоча в Україні вже функціонують понад двадцять ЦККНО при університетах і установах Національної академії наук України, цей Центр вирізняється тим, що вперше об'єднує комплекс сучасних методів, спеціально орієнтованих на дослідження молекулярних і супрамолекулярних систем – від встановлення структури сполук до вивчення їхніх взаємодій, оптичних властивостей і поведінки в біологічних середовищах.

Він має стати довготривалим ресурсом для науковців різних установ, сприяти міждисциплінарній співпраці та допомагати молодим дослідникам опановувати сучасні експериментальні підходи.

Це особливо важливо для України, де ефективне використання наявного наукового потенціалу, спільний доступ до високовартісного обладнання та співпраця між установами створюють додаткові можливості для розвитку конкурентоспроможної науки.

За словами пані керівниці, наукову основу Центру становлять шість приладів, чотири з яких було придбано у рамках виконання проєкту «СупраХа». Вони доповнюють один одного та охоплюють різні етапи дослідження молекулярних і функціональних матеріалів.

Ядерний магнітний резонанс дає змогу зазирнути всередину молекули.

Рідинна хроматографія з мас-спектрометрією дозволяє визначити, що міститься у зразку. Такі дослідження потрібні для контролю синтезу нових речовин, аналізу складних сумішей і розроблення аналітичних методів.

Спектрофлуориметрія досліджує світлові властивості речовин.

Ізотермічна титраційна калориметрія дозволяє виміряти силу молекулярної взаємодії. Цей метод особливо цінний для дослідження систем «господар–гість», молекулярних рецепторів і перспективних сенсорних матеріалів.

Флуоресцентна мікроскопія дає змогу побачити розподіл світних об’єктів. Це відкриває можливості для міждисциплінарних досліджень на перетині хімії, біології та матеріалознавства.

Ліофілізація використовується для того, щоб зберегти зразок для подальшого дослідження. За правильно підібраного режиму це допомагає зберігати властивості чутливих біологічних, фармацевтичних і хімічних матеріалів, полегшує їх транспортування та тривале зберігання.

– Разом ці прилади створюють основу для комплексного підходу: синтезовану речовину можна охарактеризувати за структурою, складом і чистотою, дослідити її оптичні властивості, виміряти взаємодію з іншими молекулами, а за потреби – вивчити її розподіл у біологічній системі, - підкреслює Ольга Колосова. – Конкретний набір методів залежатиме від властивостей зразка та поставленого наукового завдання.

Можна підсумувати, що поєднання сучасних приладів, компетентності фахівців і відкритості до міжінституційної співпраці створює умови для досліджень, які складно виконати за допомогою одного методу або в межах окремої лабораторії.

Центр покликаний підтримувати як фундаментальні пошуки, що розширюють наше розуміння молекулярного світу, так і прикладні розробки, здатні з часом знайти застосування у медицині, фармації, аналітичній хімії та матеріалознавстві.

–  Практичне значення не обмежується лабораторними вимірюваннями, – продовжує керівниця Центру. – Його діяльність може сприяти розв’язанню завдань, важливих для медицини, фармації, екології, промисловості та підготовки молодих науковців.

Доступ до сучасного обладнання та консультацій фахівців допоможе дослідникам з інших установ реалізовувати проєкти, які потребують спеціалізованих методів.

Створення ЦККНО «Молекулярні та супрамолекулярні функціональні матеріали» – це крок до ефективнішого використання наукової інфраструктури та посилення взаємодії між дослідницькими колективами України.

Адже шлях до технологій майбутнього часто починається з дуже малого – з окремої молекули, її властивостей і взаємодій. А можливість досліджувати цей світ на сучасному науковому рівні є важливою передумовою нових відкриттів.

 Мережа місцевих медіа «Громада Груп» працює завдяки вашій довірі.

Підтримайте незалежну регіональну журналістику донатом.