Нанонауки

На исходе 1960-х годов американский биохимик Пол Бойер предположил, что белковые молекулы могут менять форму — из-за вращения какой-то из их частей. Иначе говоря, «в мире внизу» макромолекула способна вывернуться наизнанку. Нельзя ли как-то приспособить это явление к механике? В 1997 году японец Кадзухико Киносита с сотрудниками смогли увидеть это вращение на экране, сумев прикрепить флуоресцирующий маркер к поворачивающейся части молекулы белка. Предположение Бойера и наблюдение Киноситы макромолекул, состоящих из тысяч атомов, подсказали вопрос: а нельзя ли пронаблюдать подобные же вращательные движения у одиночной маленькой молекулы?

В это самое время мы с Джимом Гимжевски изучали, как сравнительно плоские молекулы декациклена собираются в «кучки» на поверхности кристалла меди. Молекула декациклена состоит из центрального бензольного ядра (это такой плоский шестиугольник), к которому прицеплено шесть «лапок». Мы собирались начать исследования с дальнейшего изучения условий, связанных с получением и формированием изображения одиночной молекулы, чтобы выяснить, как оно зависит от расстояния от иглы микроскопа до тела молекулы, лежащей на некоторой поверхности. Ножки декациклена много короче лапок нашей первой молекулы — порфирина. В своем опыте мы старательно испаряли молекулы с поверхности, чтобы оставить только плотный тонкий слой из упорядоченно расположенных молекул. Но молекулы отказывались становиться в четкий строй: то здесь, то там замечались изъяны. В одном месте, например, молекулы не было, а в другом она хоть и была, но сильно выбивалась из строя. И пробелы в молекулярных рядах порой еще и сливались в большие пятна, сравнимые по величине с размером одиночной молекулы. А что будет с молекулой в этом самом слое, если она окажется на краю такой «щели» или, точнее, «ямы»? Наверное, она иногда будет смещаться — словно бы напрашиваясь на исследование.

Удача нам улыбнулась: обследовав несколько таких пробелов, мы заметили одну молекулу, сильно отошедшую от первоначального положения, — по сравнению с другими молекулами это бросалось в глаза. И она поворачивалась — как малюсенькая юла диаметром 1,2 нм. Для вращения нужна энергия — скорее всего, хватало тепловой энергии поверхности, температура которой равнялась комнатной. В этом опыте мы впервые получили изображение вращения одиночной молекулы. Восторг скоро прошел, и мы принялись терпеливо выяснять параметры вращения и определять факторы, влияющие на этот процесс.

После нескольких недель экспериментов Джим Гимжевски и его товарищ Рето Шлиттлер показали, что можно по своей воле и раскручивать молекулу, и останавливать ее вращение, — манипулируя иглой микроскопа, конечно. И мы даже подобрали объяснение физики этого явления. В сущности, такая молекула-колесико ведет себя как шестеренка в коробке передач. Если молекула — на самом краю щели (или ямы), то четыре из ее шести лапок сцеплены с такими же лапками соседних молекул, и наша молекула крутиться не станет. Но, если ее подтолкнуть, сдвинув на 0,25 нм, то она окажется посередине щели, и соседок у нее не останется. Значит, четыре прежде занятые лапки теперь освободятся и она повернется сама — надо только, чтобы было куда повернуться. Но если слишком просторно, на вращение может наложиться процесс боковой диффузии — и он, скорее всего, затормозит молекулу.

Чтобы разобраться в режиме вращения такой молекулы, мы регистрировали вариации туннельного тока, устанавливая иглу в том месте, через которое проходит одна из лапок вращающейся молекулы. И мы заметили, что импульсы тока, отображаемые на экране осциллографа, пляшут в том же ритме, в котором крутится наша молекула. К несчастью, при комнатной температуре она очень уж разгонялась, и толком разобрать, что с нею творится, было почти невозможно. Вместе с коллегами из Берлинского университета мы синтезировали другую молекулу, на этот раз с шестью длинными зубчиками, — получилась настоящая молекула-шестеренка величиной в 1,2 нм. Пометив химически один зуб шестерни и слегка изменив ее строение, мы стали наблюдать за вращением молекулы: она поворачивалась рывками, шаг за шагом, всякий раз описывая дугу в 60° и продвигаясь вдоль своего рода кремальеры — длинной рейки с зубчиками, тоже состоящей из молекул, только других.