分子马达，带上“小弟”一起转圈

分子马达最早指的是生物系统里的一类蛋白质，例如肌肉组织中的肌球蛋白，它们负责把细胞内的微观尺度运动转化为各个组织器官的宏观运动。化学家们一直致力于合成人工分子马达以求模拟生物系统，并扩展其应用范围。人工分子马达的理念首先由纳米技术先驱Richard Feynman在1961年提出，经过大约半个世纪的不断探索，终于在去年获得诺贝尔奖的表彰。尽管如此，摆在科学家面前的挑战仍然还有很多。比如，生物系统里的分子马达可以将某个局部的有序运动转移到另一区域，就如同齿轮一样的带动整个系统同步运动，而想要模拟这种耦合的同步运动在化学上却极其困难。

近日，去年诺贝尔化学奖得主之一荷兰格罗宁根大学Ben L. Feringa教授团队在Science 上报道了一种新型分子马达，实现了由光驱动单向运动的分子马达带动与之相连转子的同步受控运动。此设计基于该团队的第二代分子马达——位阻烯烃，包括上下两部分并以烯键作为转动轴，该团队对光化学顺反异构变化和同步运动过程中的动力学能垒进行精准操控，最终实现了分子马达不同部分的耦合运动。

新型分子马达的前视示意图。图片来源：Science

该团队对于这种“主动带动被动”分子运动的第一次探索是在2005年（Org. Biomol. Chem., 2005, 3, 4071）。当时的设计中位阻烯烃分子马达连接了间二甲基苯环（下图红色部分）作为转子，光照条件下分子马达的上下两部分单向转动，而转子部分则是做无规则转动，分子马达上下两部分的相对位置会影响到转子的转动，在一定程度上起到了“刹车”的作用。不过，由于分子马达与转子的空间相互作用并不够，分子马达的转动并没有传递到转子上带动转子同步运动。

图1. 分子马达“刹车”。图片来源：Science

在这篇文章中，作者对分子进行了重新设计，使用了第二代分子马达，并把早先的间二甲基苯环转子用萘基转子（下图红色部分）替代，这是为了保证在整个360˚的转动循环中，萘基的转动能垒要高于热螺旋翻转（thermal helix inversion）的能垒，从而抑制随机无规则热转动。如下图所示，第一步，在光照条件下，马达的上半部分进行顺反异构带动萘基转子绕马达下半部分滑动；接着，受热条件下热螺旋翻转使得萘基转子绕到马达的另一面；然后同样是光照下的滑动和受热后的转动，使马达和转子继续运动并完成一个循环。整个过程中萘基转子始终保持着同一面朝向马达的下半部分，并且其自身绕着单键为轴的转动被锁死。

图2. 新型分子马达的运动过程。图片来源：Science

抛开文中详细研究的耦合运动机理的立体化学变化不谈，这篇文章主要传达了两个层面的意思：第一，分子马达中运动的传递依赖于运动过程各个阶段恰当的能垒设计，在此项工作中主要体现为转子的热螺旋翻转能垒低于萘基转动能垒；第二，为了对整个转动过程中各种状态进行准确判断，需要有合适的特征元素来帮助在实验中清晰地表征运动循环中的分子结构，此项工作中所用的核磁、紫外可见吸收光谱、X射线单晶结构解析以及圆二色谱等在这里不一一赘述。

图3. 运动循环中中间体的表征（¹H NMR、X射线单晶结构、紫外可见吸收光谱）。图片来源：Science

——总结——

这篇文中所提到的系统与其他的合成分子机器的不同在于其转动的单向性、连续性、自发性，并且这些性能在运动传递到转子的过程中仍能得以保留。虽说模仿或是超越复杂的生物系统还有很长的路要走，但是分子机器领域正在蓬勃发展，这篇文章则是拨开了艰难道路上的又一块荆棘。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Locked synchronous rotor motion in a molecular motor

Science, 2017, 356, 964-968, DOI: 10.1126/science.aam8808

部分内容编译自：http://science.sciencemag.org/content/356/6341/906

（本文由PhillyEM供稿）