中山大學Nature：化學能驅動的單向旋轉分子馬達

一、【導讀】

分子馬達在生命系統中發揮著舉足輕重的作用。在過去的幾十年中，人工分子機器的設計和應用取得了顯著進展，以實現電機、肌肉、運輸機或泵等機械功能。然而，連續和自主的化學驅動旋轉的單向馬達的仍然具有挑戰，因為適當的吉布斯自由能會隨著圍繞單個鍵的每個旋轉狀態而變化，并且每個化學步驟的活化能（即動力學）需要通過一組反應精確控制。2016 年，Leigh及其同事報告了一種基于鏈烷的自主化學驅動分子系統，該系統具有涉及布朗棘輪機制的偏向性。然而，抑制隨機布朗運動和設計單向旋轉、化學能驅動的類ATP酶自主分子馬達仍然難以實現。作者所在團隊設計了基于雙芳基結構的化學驅動旋轉分子馬達，在芳基之間形成了一個瞬態橋，促進了具有高單向性的atropisomeric構象相互轉換。然而，這些系統需要操縱保護基團或連續的化學步驟，并且不能自主運行。

二、【成果掠影】

近日，中山大學的趙德鵬和的格羅寧根大學&華南師范大學的Ben L. Feringa開發了一種由化學能提供燃料的自主單向旋轉分子馬達。該馬達具有三個不同立體化學元素的同手性雙芳基，在化學燃料的驅動下，兩個芳基能圍繞一個單鍵軸進行重復和單向的360°旋轉。在自主旋轉周期內酯環化、螺旋反轉和開環的過程依次進行，旋轉的單向性可高達99%。同時，本文展示了該分子旋轉馬達的兩種工作模式：i）與化學燃料的脈沖和酸堿振蕩同步運動；ii）在有化學燃料的情況下，在略帶堿性的水環境下自主運動。該馬達憑借簡單的能量提供方式和單向旋轉的控制等的優勢，在未來多組件執行機械的應用中展示出了巨大的潛力。研究成果以題為“Intrinsically unidirectional chemically fuelled rotary molecular motors”發布在國際著名期刊Nature上。

三、【核心創新點】

• 聯芳基分子馬達家族

四、【數據概覽】

圖1. 連續旋轉分子馬達的設計和概念示意圖：a. 分子馬達的結構和主要特征；b. 連續旋轉動態動力學水解過程勢能圖；c. 以化學能為燃料的分子馬達連續順時針360°旋轉過程的示意圖（綠色：轉子上具有兩個手性中心的羧酸基團；紅色和藍色：定子上的羥基基團）；d. 設計的分子馬達結構的演變以及環化和螺旋反轉后的動力學/熱力學產物的比率 ?2022 Springer Nature

圖2. 通過降低定子的不對稱性來驗證分子馬達的單向360°旋轉：a. Motor-Br 360°旋轉的六個步驟；b. 六種異構體的部分1H 核磁共振光譜 ??2022 Springer Nature

圖3. 與化學燃料和酸堿振蕩脈沖同步360°旋轉 ??2022 Springer Nature

圖4. 分子馬達的連續旋轉：a. Motor-1-K和Motor-1-T水解速率的測定；b. 動態水解動力學實驗；c. 由化學燃料驅動的分子馬達的連續旋轉；d. 在Motor-3從0小時連續旋轉到24小時期間從反應混合物中提取的樣品的HPLC色譜圖 ?2022 Springer Nature

五、【成果啟示】

本文開發了一種由化學能提供燃料的自主單向旋轉分子馬達。不同于通過小偏差（主要是布朗運動）運行的系統，該系統利用其中固有手性元素的優勢，旋轉主要由自主旋轉周期內酯環化、螺旋反轉和開環的過程實現。同時，本文展示了該分子旋轉馬達的兩種工作模式：i）與化學燃料的脈沖和酸堿振蕩同步運動；ii）在有化學燃料的情況下，在略帶堿性的水環境下自主運動。該馬達憑借簡單的能量提供方式和單向旋轉的控制等的優勢，在未來多組件執行機械的應用中展示出了巨大的優勢。

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05033-0