Ученые впервые увидели и «пощупали» водородную связь между молекулами

Физики впервые смогли детально рассмотреть водородную связь между двумя молекулами и точно измерить силу, что поможет ученым в раскрытии тайн устройства белков и молекул ДНК, говорится в статье, опубликованной в журнале Science Advances.

«Водород, состоящий из всего одного протона и электрона, является самым небольшим и распространенным атомом во Вселенной. Водород столь же важен и для химии и физики, но до настоящего времени мы не могли видеть одиночные атомы водорода в молекулах. Получение первых данных по силе водородных связей открывает путь для раскрытия трехмерной формы молекул ДНК и полимеров», — рассказывают Сигеки Кавай (Shigeki Kawai) из Национального института изучения материалов в Цукубе (Япония) и его коллеги.

Почти все молекулы, существующие во Вселенной, состоят из атомов, связанных тремя путями – посредством прочных ковалентных или ионных связей, основанных на «обобществлении» или «экспроприации» электронов между двумя атомами, и слабых водородных связей.

Они образуются за счет перераспределения заряда между атомами водорода и кислорода, из-за которого возникает «зарядовая асимметрия» молекулы и один ее конец оказывается заряжен положительно, а другой отрицательно. К этим заряженным концам могут присоединяться другие атомы и молекулы, а также атомы в самой молекуле, содержащей водород.

Водородные связи, возникающие между молекулами воды, объясняют высокую температуру кипения и высокую вязкость воды, а также необычные свойства белков, молекул ДНК и других «кирпичиков жизни». Ученые достаточно давно знают примерную силу этих связей, однако их точное значение так и не было измерено из-за того, что электронные микроскопы крайне плохо «видят» атомы водорода в молекулах.

Кавай и его коллеги решили эту проблему, модифицировав жало атомно-силового микроскопа таким образом, что водород начинает формировать связи не только с изучаемыми молекулами, но и с самим микроскопом.

Сердцем атомно-силового микроскопа является сверхтонкая игла из металла и присоединенная к ней упругая пластинка, которая вибрирует при движении щупа по образцу материала. Эти колебания преобразуются в картинку при помощи лазера, угол отражения луча которого меняется в зависимости от силы вибраций.

В 2012 году Кавай и швейцарские физики впервые смогли увидеть связи между атомами углерода в молекулах ароматических углеводородов, покрыв «иглу» микроскопа угарным газом, чьи молекулы, как выяснили ученые, были особенно чувствительны к искажениям, которые возникают в результате отталкивания наконечника электронами, образующими связи между атомами.

Экспериментируя с подобными иглами, авторы статьи обнаружили, что они могут фиксировать появление водородной связи между ними и особо устроенными ароматическими углеводородами, часть атомов водорода в которых смотрит строго «вверх». В таком случае жало микроскопа будет взаимодействовать со строго одним атомом водорода, что позволяет четко видеть формирование связи и точно измерять ее силу.

Для проведения подобных экспериментов ученые собрали молекулы, состоящие из нескольких углеводородных колец и хвостов и похожие по форме на логотип «Мерседес-Бенц», пропеллер и звезду с тремя лучами. «Ощупывая» эти хвосты при помощи жала микроскопа, физики смогли впервые сфотографировать водородные связи, понять, как они отличаются от ковалентных связей, измерить их силу – около 40 пиконьютонов, триллионных долей ньютона, и понять, на каком расстоянии они работают – примерно 300 пикометров.

В целом, все эти значения полностью соответствует теоретическим предсказаниям и говорят о том, что в их формировании не замешаны силы электростатического притяжения или неизвестная нам форма ионных связей. Как надеется Кавай, открытие его команды проложит дорогу для получения первых «атомных» фотографий ДНК и важнейших белков, и последующего раскрытия их тайн.