Химики МГУ создали сверхбыстрый молекулярный мотор

Сотрудники кафедры физической химии химического факультета МГУ выяснили связь между скоростью первичного химического процесса, который происходит в светочувствительных мембранных транспортных белках живых клеток, и геометрией их активного центра, отвечающего за поглощение и преобразование энергии света. Открытие позволило предложить модификацию химической структуры фотоактивной молекулы, которая может так же быстро вращаться в одну сторону вне белкового окружения, что открывает путь для создания нового класса сверхбыстрых молекулярных моторов. Работа, выполненная при поддержке Российского научного фонда (РНФ), опубликована в Journal of the American Chemical Society, а также в Journal of Physical Chemistry Letters.

Протекающие под действием света биохимические реакции – одни из самых быстрых и эффективных из известных в природе. К таким процессам относится фотоизомеризация – изменение геометрической структуры молекулы, происходящее при действии света. В белках фотоизомеризация происходит за сотни фемтосекунд (10^-13 с) и поэтому считается сложнейшим для изучения процессом.

– В работе мы изучали фотоизомеризацию белка из семейства родопсинов, – рассказал аспирант, соавтор исследования Павел Кусочек. – Родопсины находятся в наших зрительных клетках, в колбочках и палочках в глазу. У бактерий они входят в состав клеточных мембран и выполняют разные функции, важнейшая из которых – перенос ионов через мембрану.

Начинаются «приключения» родопсина с фотоизомеризации ретиналя – небелковой органической молекулы, входящей в состав активного центра родопсина. Рядом с ретиналем находятся заряженные остатки аминокислот, создающие его белковое окружение.

– Мы попытались дать ответ на вопрос, как белковое окружение помогает фотоизомеризации ретиналя, – пояснила руководитель лаборатории квантовой фотодинамики, соавтор работы, доцент, к.ф.-м.н. Анастасия Боченкова. – Ранее нам удалось установить, что в изолированном состоянии, без белкового окружения, изомеризация идет гораздо медленнее.

Ученым удалось подметить интересную особенность фотохимического процесса изомеризации в родопсине. Некоторые молекулы ретиналя после поглощения света не изомеризуются, а возвращаются в исходное состояние. Одной из причин этого феномена может быть разная геометрия активного центра: пространственное расположение ретиналя и расстояние до аминокислотных остатков.

– С помощью методов квантовой химии высокого уровня точности мы увидели, что молекулы с разными структурами активного центра реагировали на действие света по-разному, – рассказала Анастасия Боченкова. – Более скрученная структура ретиналя изомеризовалась эффективнее всего.

Детальное понимание механизмов сверхбыстрых фотохимических реакций, происходящих в природе, может помочь ученым моделировать подобные процессы и использовать их в технике. Например, в новейшем исследовании авторы совместно с датскими коллегами достигли того, что химически модифицированный ретиналь в изолированном состоянии смог изомеризоваться так же быстро, как и в белковом окружении.

– Предложенная модификация также обладает однонаправленным вращением при фотоизомеризации, – рассказал дипломник, соавтор исследования Адиль Кабылда. – Поглощение последовательно двух фотонов приводит к очень быстрому провороту молекулы по одной из двойных связей на 360 градусов, причем молекула вращается всегда в одном направлении.

Работа открывает путь к созданию нового класса сверхбыстрых молекулярных моторов – молекул, использующих энергию света для совершения механической работы на нанометровом масштабе.

– Мы преодолели ряд существующих ограничений в дизайне и применении молекулярных моторов, что позволит создать сверхбыстрые молекулярные двигатели с большим КПД, работа которых инициируется поглощением безопасного для живых тканей и организмов красного света, – подвела итог Анастасия Боченкова.

Для квантовохимических расчетов были использованы ресурсы суперкомпьютерного комплекса «Ломоносов-2».

Работа выполнена при поддержке гранта РНФ 17-13-01276.

Ссылки на статьи:

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.jpclett.1c02312

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.1c10752

Текст: Алина Сагитова/пресс-служба химического факультета МГУ

Автор фото: Юлия Чернова/ пресс-служба химического факультета МГУ

Информация и фото предоставлены пресс-службой МГУ