Doktorantica dobitnika Nobelove nagrade iz kemije piše za srednja.hr

Francuz Jean-Pierre Sauvage, Škot J. Fraser Stoddart i Nizozemac Bernard Feringa dobitnici su ovogodišnje Nobelove nagrade za kemiju za razvoj molekularnih motora. Doktorantica u grupi Bernarda Feringa je Matea Vlatković, diplomirala je na Sveučilištu u Zagrebu, a za srednja.hr piše o izumu za kojeg su znanstvenici zaslužili Nobela, svojem doktorskom radu kojeg uskoro brani, ali i iskustvu rada s Feringom.

Screenshot Matea Vlatković

Veliki korak naprijed k razvoju molekularnih strojeva i motora uočen je 1999. u grupi profesora Feringe, gdje je prvi puta uspješno postignuta jednosmjerna rotacija molekularnog motora(i). Ostvarivanje jednosmjerne rotacije, tj. kontroliranog kretanje molekule je bio ogroman izazov, uzimajući u obzir da molekularni motori i mašine za razliku od makroskopskih motora i mašina nikada ne miruju. I na izuzetno niskim temperaturama molekule su izuzetno dinamične, kaotične (i na 0 K one vibriraju). Za razliku od Sauvagea i Stoddarta koji su kontrolu postigli u svojim sustavima tako što su ‘mehanički blokirali’ svoje strukture, Feringa je dizajnirao molekulu baziranu na sterički pretrpanom alkenu. Takvi alkeni su jedinstveni i nazivamo ih molekularnim motorima koji pod utjecajem svijetla i topline mogao izomerizirati, tj. alken je mogao preći iz trans-konfiguracije u cis-konfiguracije (Skica 1), i zbog toga što pored dvostruke veze sadrže dodatni kiralni centar ta molekula može postojati u četiri konfiguracijska oblika kao što je prikazano na slici.

skica 1

Osvjetljavanjem molekularnog motora UV svjetlom dolazi do trans-cis izomerizacije i u većini slučajeva nakon UV osvjetljivanja većina trans motora je prešla u svoj drugi oblik. Ali s obzirom da je to ravnotežno stanje – glavni korak k jednosmjernosti rotaciji motora dolazi iz sljedećeg koraka – (termalne heliksne inverzije) zagrijavanjem cis-forme – koju nazivamo cis-nestabilnom formom upravo zato što spontano povišenjem temperature prelazi u stabilnu cis formu. Ponovnom primjenom UV svjetla cis-stabilna forma prelazi u trans-nestabilnu koja spontano prelazi u početnu trans-formu. I taj ciklus se može mnogobrojno puta ponoviti. Na taj način smo postigli čitav jednosmjerni ciklus. Kroz godine modificiranjem strukture molekularnog motora mnogo se postigao od izuzetno brzih molekularnih motora koji rotiraju frekvencijom preko 12 MHz(ii) do implementacije motora na različite podloge(iii). Također pomoću molekularnog motora uspješno je pokazana jednosmjerna rotacija makroskopskih predmeta u filmu tekućeg kristala(iv) . Jedan od većih uspjeha grupe također je bio uspješan dizajn nanoauta(v) koji se sastojao od više molekularnih motora kao kotača i uspješno je demonstrirano njegovo jednosmjerno gibanje.

Tijekom godina mnogo se naučilo o molekularnim motorima ali još uvijek svakog dana uz nove eksperimente se dolazi do novih spoznaja i njihovih važnih primjena (trenutno smo koncentrirani na kemijske primjene, npr. u katalizi). Trenutno aplikacije u svakodnevnom životu temeljene na molekularnim motorima se čine daleko nekima se više čine kao znanstvena fantastika – poput primjene u našem organizmu u kojem bi molekularni motori ili mašine usmjereno nalazili bolesne stanice i dostavljale lijek potaknute nekim stimulosom, ili bi u budućnosti mogli bit korišteni u električnoj industriji za pohranu podataka. S obzirom na napredak posljednjih godina vjerujem da ćemo se za desetak godina pomaknuti korak dalje ka ostvarivanju tih snova.

Raditi doktorat kod Bena je izazov, ali definitivno u pozitivnom smislu

Ben je briljantan znanstvenik, koji je izuzetno skroman. Kad je u Groningenu, on dolazi na posao isključivo biciklom što znači da odbiciklira minimalno 30 km dnevno. Osim što se od njega uz razgovore i sa njegovih predavanja može naučiti puno o kemiji, on je i odličan menadžer. Svatko tko je radio doktorat zna koliko se prepreka mora preći i kako često projekti nalikuju Sizifovom poslu – u najtežim trenucima kad bi nakon mjeseci rada sve izgledalo kao da je za baciti – Ben bi održao takav motivacijski govor da si jednostavno nakon tog razgovora ponovno spreman poletiti do zvijezda i vjeruješ da će tvoj projekt uspjeti bez obzira na sve.

Raditi doktorat kod Bena je izazov, ali definitivno u pozitivnom smislu. Često putuje po konferencijama i održava predavanja po raznim sveučilištima po svijetu tako da se zna desiti da je dva tjedna u Japanu, tjedan dana u Americi i onda napokon tjedan dana u Groningenu. Definitivno se naučite potpunoj znanstvenoj samostalnosti radeći u njegovoj grupi. Bez obzira na njegov prenatrpan raspored uvijek bi našao vremena za pojedinačan razgovor sa svakim postdokom i doktorantom, često bi imao prvi razgovor u osam ujutro, a zadnji oko osam navečer. Njemu je jako stalo do toga da svatko ima dobar balans osobnog života i posla – i mene je samu par puta otjerao iz labosa da odem na pivo. Obavezno jednom godišnje organizira roštilj u svom vrtu za sve doktorante i postdoktorante, te često organizira fešte na faksu za svaku nagradu koju dobije i svaku veću publikaciju. S obzirom na 40-ak publikacija godišnje fešte su prilično česte.

Tema mog doktorata bila je ostvarivanje kontrole kiralnog prostora pomoću molekuarnih motora. Poanta je da s obzirom da molekularni motori mogu postojati u dvije cis forme koje su drugačije kiralnosti poput lijeve i desne ruke, iako naizgled slične, po sastavu iste ne mogu se nikako preklopiti. Zahvaljujući tom jedinstvenom svojstvu mogla sam kontrolirati u kemijskoj reakciji koje će kiralnosti pretežito biti produkt, što je veliki pomak naprijed. Jer korištenjem samo vanjskih stimulusa, svijetla i topline se mijenja konfiguracija katalizatora, a time i određuje konfiguracija produkta. U farmaciji je to jako važno jer se zna da različiti enantiomeri produkta imaju izuzetno različita svojstva.

Prilično sam jednostavno svoju glavnu temu doktorata predstavila već i plesom, a i govorom na finalu nizozemskog famelaba. Osim u katalizi(vi) pokazala sam i primjenu molekularnih motora u supramolekularnoj kemiji, kako se s obzirom na stanje molekularnog motora mijenja afinitet za anione(vii). Osim tih glavnih projekata bilo je još manjih , ali s obzirom da još nisu publicirani o njima nekom drugom prilikom.

Matea Vlatkovic – Molecular motors in action: obtaining left and right handed molecules on demand from British Council Netherlands on Vimeo.

Koumura, N.; Zijlstra, R. W. J.; Delden, R. A. van; Harada, N.; Feringa, B. L. Light-Driven Monodirectional Molecular Rotor. Nature 1999, 401 (6749), 152–15
Vachon, J.; Carroll, G. T.; Pollard, M. M.; Mes, E. M.; Brouwer, A. M.; Feringa, B. L. An Ultrafast Surface-Bound Photo-Active Molecular Motor. Photochem. Photobiol. Sci 2014, 13, 241–246.
Delden, R. A. van; Wiel, M. K. J. ter; Pollard, M. M.; Vicario, J.; Koumura, N.; Feringa, B. L. Unidirectional Molecular Motor on a Gold Surface. Nature 2005, 437 (7063), 1337–1340.
Eelkema, R.; Pollard, M. M.; Vicario, J.; Katsonis, N.; Ramon, B. S.; Bastiaansen, C. W. M.; Broer, D. J.; Feringa, B. L. Molecular Machines: Nanomotor Rotates Microscale Objects. Nature 2006, 440 (7081), 163–163
Kudernac, T.; Ruangsupapichat, N.; Parschau, M.; Maci. Electrically Driven Directional Motion of a Four-Wheeled Molecule on a Metal Surface. Nature 2011, 479 (7372), 208–211.
Vlatković, M.; Bernardi,L; Feringa B. L. Dual stereocotrnol over the Henry reaction using a light- and heat- triggered organocatalyst, Chem. Commun. 2014, 50, 7773-7775
Vlatković, M.; Feringa B. L.; Wezenberg S. J., Dynamic inversion of stereoselective phosphate binding to a bisurea receptor controlled by light and heat, Angew. Chem.Int. Ed. 2016, 55 (3), 1001-1004; Wezenberg S. J., Vlatković, M.; Kistemaker, J.C.M, Feringa B. L., Multi-state regulation of the dyhydrogen phosphate binding affinity to a light- and heat- responsive bis-urea receptor, J. Am. Chem. Soc. 2014, 136 (48), 16784-16787