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使用化学“燃料”的小分子发动机,两篇《Nature》系牛文赏析

生物体内的众多生理活动都依靠化学“燃料”三磷酸腺苷(ATP)供能,例如肌肉收缩以及分子的跨细胞膜转运。多年来,化学家们一直试图仿效这一过程,人工构建小分子发动机(molecule motor),尽管取得了一些成绩,但这些分子机器始终没有做到利用化学“燃料”供能并无需外界干预自主运转。最近,英国曼彻斯特大学David A. Leigh教授团队和荷兰格罗宁根大学Ben L. Feringa教授团队分别用不同的系统实现了上述目标,他们的论文分别发表在《Nature》和《Nature Chemistry》上,相差仅有两天。


“生物体内的发动机是结构较大的蛋白质,”Leigh强调,“科学家们已经开始制造具有类似功能但结构更简单的分子机器。”他坦陈目前的小分子发动机速度慢、效率低,而且应用有限,但他认为它们现在的状况有点类似早期的汽车,“如果Karl Benz没有在1885年制造不用马拉的车,我们就不会有现在的奔驰一级方程式赛车。”Leigh认为,这种小分子发动机可以在化学合成、药物输送、化学分析等领域运送目标分子,或者为微型机器人或者微型工厂供能。

Karl Benz的汽车。图片来源:emercedesbenz.com


Leigh团队的索烃


Leigh和Feringa的团队都是在2000年前后开始研究小分子发动机。Leigh小组的相关成果首次发表2003年(Nature, 2003, 424, 174-179, DOI: 10.1038/nature01758),他们使用的是被称为索烃(catenane)的两个互扣的大环状分子。Leigh小组这次依然使用了索烃,而且结果也依然发表在《Nature》上。(An autonomous chemically fuelled small-molecule motor. Nature, 2016, 534, 235-240, DOI: 10.1038/nature18013)

图片来源:NPG


Leigh小组设计的索烃包括一个稍小的大环分子和一个稍大的大环分子,其中稍大的大环分子作为“运行轨道”,稍小的大环分子可以在其上连续定向的移动,移动所需的能量来自化学“燃料”9-芴甲氧羰酰氯(9-fluorenylmethoxycarbonyl chloride,Fmoc-Cl)的不可逆反应。其中,“轨道”大环上存在两个相对的位点,可以通过氢键紧密结合稍小的“移动”大环,有99%的时间,“移动”大环都停在“轨道”大环的这两个结合位点上。在这两个结合位点的顺时针方向还分别存在一个羟基,可以与化学“燃料”Fmoc-Cl反应并结合。结合后的Fmoc基团,就像栏杆一样,能阻止轨道上的“移动”大环移动。通过不断的结合和移除Fmoc“栏杆”,“移动”大环就可以移动起来,而且总体移动方向还可以控制。

图片来源:NPG


这项工作的最精妙之处就在于如何控制“移动”大环的移动方向,关键就在于控制Fmoc基团的结合和移除。Fmoc从轨道上移除的反应速率是固定的,但结和的反应速率却不一样。当稍小的“移动”大环结合在“轨道”大环的结合位点上时,其附近的Fmoc-Cl结合位点与Fmoc-Cl的反应速率,要低于轨道另一端的Fmoc-Cl结合位点。也就是说,如果“移动”大环在“轨道”大环上顺时针移动,Fmoc“栏杆”总是倾向于结合在远端,不影响移动方向;如果“移动”大环在“轨道”大环上逆时针移动,它将总是倾向于遇到Fmoc“栏杆”,不能继续。

美国塔夫茨大学的Charles Sykes大赞这种方法“是非常漂亮的原理验证系统”。不过,他也补充说,“因为很多燃料在到达发动机之前就消耗了,速度和效率还有待提高”。


“现在我们面临的挑战是制造更高效的小分子发动机,并用它们来执行一些任务,”Leigh回应道。


Feringa团队的有机钯


如果说Leigh团队的索烃有点类似超小号过山车,那么Feringa团队的分子发动机就有点像一个迷你旋转木马。他们使用分子中的碳碳键作为“转轴”,两端连接着体积较大的化学基团,化学反应带来的能量促使一个基团相对于另一个基团旋转。这一系列的工作起始于2005年,他们当时使用了联芳烃分子,通过条件不同的四个步骤来完成一次完整的旋转(Science, 2005, 310, 80-82, DOI: 10.1126/science.1117090)。新的工作用的也还是联芳烃分子,但使用了有机钯催化剂,发表在《Nature Chemistry》上。(A chemically powered unidirectional rotary molecular motor based on a palladium redox cycle. Nature Chem.,2016, DOI: 10.1038/nchem.2543)

图片来源:NPG


虽然新的工作还是需要条件不同的四个步骤来一次完整的360°旋转,但关键的反应——碳氢键活化和氧化加成都依赖钯催化剂。钯络合物可以与碳碳键“转轴”上下方的芳香环都结合,其中两个关键的化学过程都可以让上面的环相对下面的环转动180°,由此完成一次完整的旋转。

图片来源:NPG


“该系统属催化旋转发动机系统的开山之作,”Feringa说,“下一步才是建立一个使用化学燃料供能的系统”。


Sykes认为,该联芳烃系统需要依次加入反应物,比之前的索烃系统更慢。“不过,该催化体系的氧化还原性质使其有可能在未来实现通过电化学控制分子发动机,”他补充道。


钯在这个系统中的作用,其实也反映出了分子发动机的相通之处,不管它是联芳烃分子、索烃或是依赖ATP的蛋白质。Leigh说,“分子发动机实际上就是一种催化剂,将能量高的化学试剂转化成能量较低的物质。关键在于使用这些能量为分子的运动供能。”


1. http://www.nature.com/nature/journal/v534/n7606/full/nature18013.html

2. http://www.nature.com/nchem/journal/vaop/ncurrent/full/nchem.2543.html

3. http://www.rsc.org/chemistryworld/2016/06/molecular-motors-chemical-fuel-proteins


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