分子机器

如果我们生活在一个由分子机器控制的世界里，它小到我们看不到，但却影响着我们日常生活的方方面面，那会怎么样?从某种意义上说，我们已经做到了:从从太阳获取能量到我们看东西的方式，生物学上的任何事情都要用到它们，其中蛋白质是最复杂的。科学家们称它们为机器，因为就像人类设计的机器一样，它们会根据输入产生机械运动，从而执行一项任务。尽管生物学在数十亿年的进化中已经完善了它的机器，但热衷于模仿这些结构的化学家才刚刚开始。

在20世纪80年代末，研究人员开始构建包含机械连锁成分的分子组合，其中两个或多个部分在不破坏共价键的情况下无法分离。其中最受欢迎的是轮烷——一种哑铃状的分子，中心包裹着一个环，可以沿着轴自由滑动，但太小了，两端都无法脱落。“分子机器对化学家的吸引力要归功于弗雷泽·斯托达特，”他回忆道大卫利英国曼彻斯特大学教授。“他很有远见，意识到这些结构可以实现大幅度的振幅控制运动，这可能是分子机器的基础。”

就在十多年前，美国的一个团队由弗雷泽·斯图达特目前在伊利诺斯州西北大学工作的他展示了他们可以用轮烷来弯曲黄金。¹他们使用氧化还原化学来控制一个大环的位置，这个大环沿着一条线在两个站之间来回穿梭:在中性状态下，大环对四硫亚氟戊烯单元有很高的亲和力，但在氧化状态下，它被排斥在萘站上，更舒服。当两个轮烷耦合在一起时，根据氧化还原状态的不同，环之间的距离可能是4.2 nm或1.4 nm。通过将宏观环固定在黄金表面，研究小组能够模拟肌肉的收缩和伸展，并使用这些开关来弯曲微米级的金束。

重新发明轮子

斯托达特的研究表明，分子机器可以影响比它们本身大很多个数量级的物体，但除了开关之外，科学家们已经转向设计更复杂的基于马达的系统。

纳米汽车——一种在铜表面行驶的四轮分子——在2011年成为新闻。²本Feringa和荷兰格罗宁根大学的同事设计了一种电机，由于一系列构象的变化，它可以朝着单一方向旋转。电子刺激它们的分子会导致碳碳双键周围的光化学异构化，然后很快就会发生螺旋反转。这些几何变化的两个循环，使电机在桨轮式运动中360°旋转。用四个轮子代替马达，当所有轮子都对准同一方向旋转时，分子就会以直线向前推进。

物理学家评论说:“分子世界的整个运动机制与宏观世界完全不同，所以人们所说的纳米汽车与汽车的物理学完全没有关系。院长Astumian在美国缅因大学。他补充说:“这就像当你仰望夜空，看到一个看起来像熊的星座:我们不会认为熊的生物学对理解星座中的恒星如何相对运动有用。”撇开这种可疑的比较不提，毫无疑问，实现这种分子定向绝非易事，尤其是考虑到分子通常会不断地随机移动。

同样值得考虑的是，正是这种随机运动让分子机器发挥作用。阿斯图米安解释说:“我们都知道布朗运动不能作为能量来源，所以热噪声不能提供能量来驱动定向运动。”“但你可以让马达利用噪音工作，即使你提供能量，没有噪音也无法工作。”事实上，如果没有热噪声，斯托达特开关中的宏观循环将保持不变，无论氧化还原状态如何，整个系统将变得无用。因此，在设计分子机器时，利用布朗运动并获取它以实现所需的运动是关键。

沿着分子轨迹漫步

利解释说:“与其试图将工程概念从大世界缩小到小世界，对我来说，更好的做法是尝试并学习生物学如何应对工程机器，并将这些概念应用于制造我们自己的分子机器。”通过翻阅生物学的机械目录寻找灵感，利的团队设计了一个两条腿的直线马达，并让它沿着轨道行走，^3.模仿线性马达蛋白沿着细胞内轨迹移动来执行任务的方式。

行走者利用酸碱化学和光化学异构化的结合，从a点到达b点。在分子的世界里，重力是可以忽略不计的，一只脚必须固定在原地，这样分子才不会飞离轨道。当一只脚被压住时，另一只脚必须能够向前迈一步，然后化学反应必须发生变化，将另一只脚锁定在适当的位置，以便迈出下一步。该团队在一只脚上使用二硫化物键，另一只脚上使用腙键，这样一个在酸中被运动锁定，而另一个在碱中不稳定，反之亦然;振荡系统中的pH值，然后让分子在轨道上上下移动。让步行车朝着任何特定的方向走有点棘手，这就是光化学的作用所在——将轨道上内置的二苯乙烯单元异构化，在马达上引起环张力，并诱使它朝一个方向移动，而不是另一个方向。

“我们希望能够将分子沿着轨道运送到特定的部位;例如，捡起反应性的积木，沿着轨道把它们带到组装地点，然后构建一个分子，”利说。“想象一下，你有分支的轨道，这样你就可以选择分子的去向——左边的轨道选择一个氨基酸，右边的轨道选择另一个氨基酸。引入动力学和空间定位不同事物的可能性将在分子水平上非常有用，这是我们用其他任何方式都无法做到的。”

他的团队最近正在努力实现这一目标，制造一个可以捡起小分子的机械臂，在它的轴上旋转，并将它释放到距离起始位置2纳米的地方。⁴它们使用了与助行器相同的动态化学结构，用二硫化物键抓住或释放货物，用腙连接将货物固定在平台上。使用纳米机器人操纵分子可能会引发合成工厂式装配线的诞生，将分子沿着链条从一只手臂传递到另一只手臂，以构建更大的结构，类似于酶构建脂肪酸的方式。

给它打气

斯托达特也是自然界纳米机器的爱好者，他最近的一些工作从载体蛋白中获得了灵感。以细菌视紫红质为例。它将质子按浓度梯度泵过细胞膜，一旦进入细胞，质子就会通过将二磷酸腺苷转化为三磷酸腺苷转化为化学能。斯托达特说:“这些马达在不平衡的情况下工作，这对化学学界来说是一个巨大的挑战。”“我们几乎是在平衡动力学的环境下出生和成长起来的——一切都将达到平衡，这就是它的终结——但实际上，生命的整个基础正在远离平衡，从能量上推动系统向上发展。”

他的团队设计了一种基于轮烷的马达，可以根据浓度梯度将大环泵到螺纹上，⁵在系统中积累势能，原则上可以转化为对周围环境有用的功。由于在分子水平上消耗的能量通常是通过热松弛来消散的，因此存在于如此高能量状态的人工机器的例子是极其罕见的。

该泵使用氧化还原化学作为刺激，并使用与利的行走器类似的棘轮机制运行，只不过这次静电相互作用是迫使宏观循环分子转向一边的关键。该螺纹可分为两个主要部分——紫精单元，当系统被还原时，大环与之形成稳定的自由基复合物;收集链，当系统被氧化时，大环在其上积聚，四合环被排斥出紫精泵。当系统第一次氧化时，带正电的紫外光单元和相邻的吡啶基团的联合作用阻止了大循环的脱线，当循环重新开始时，一个栅极阻止了已经在收集链上的任何环的脱线。

斯托达特说:“我们的目标是能够在聚合物链上放置大量的环，从而产生耐刮擦的薄膜。”“如果你在这种材料的表面上划痕，聚合物很快就会来填补裂缝，大概是因为环在聚合物链上滑动。”我们希望将聚合物化学带入一个潜在应用的新领域。”

情绪激动

斯托达特并不是唯一一个有这个目标的人。尼古拉斯Giuseppone法国斯特拉斯堡大学的教授和他的同事们也一直在利用聚合物来制造高能材料。该团队将旋转电机加入到纠缠的聚合物网络中，它们的激活导致聚合物链的机械缠绕。⁶Giuseppone解释说:“这些马达是由Feringa开发的，但我们的方法是利用这个基础在宏观尺度上产生有用的工作。”聚合物在每个马达上的盘绕导致局部收缩，这些收缩在整个材料中被放大，导致凝胶的整体收缩。分子机器的纳米级集体运动首次能够产生厘米级的机械功。更重要的是，所消耗的光能以弹性能量的形式存储在材料内部，该团队正在研究如何解开线圈以利用这种能量。

我们正处于一个非常陡峭的学习曲线的早期阶段

“我们如何从分子世界，通过纳米和介观，到宏观，当然是一个主要的发展领域，”斯托达特评论道。“首先要做的是将分子机器放入一个有序的环境中，然后是将它们加工成聚合物的整个过程，这样机器就可以重复n次。”虽然Giuseppone的马达在聚合物中是重复的，但它们不是在二维或三维上排列的，如果分子开关或马达想要进入计算世界，就必须这样做。

为了这个目标，一支由斯蒂芬·勒布加拿大温莎大学的研究人员建造了一种金属有机框架，在其连接器中加入了轮烷，使航天飞机在三维晶格中完美地重复。⁷“我们已经证明了基本的平移运动;下一步是能够用某种刺激来控制这种运动，就像人们在溶液中所做的一样，”勒布说。“我认为我们已经相当接近这个目标了——困难的部分是学会组织这些东西，让它们至少可以在固态下移动——从溶液化学中已经有了控制运动的路线图。”

虽然斯托达特和朱塞彭等科学家相信，人工机器将在宏观工作中找到自己的使命，但其他人则不那么相信。阿斯图米安说:“我一直认为，用分子任务挑战分子机器要有趣得多。”基于这种想法，Leigh和同事们建立了一个核糖体模拟体，可以用预先确定的序列制造肽，它可以说是最复杂的分子机器。⁸他们设计了一种由不同部分组成的轮烷，这些部分需要一起工作才能完成工作。它们的线以所需的顺序承载着许多氨基酸，它们的大环，携带着催化臂，沿着轴滑动，直到它的路径被氨基酸阻塞。然后，手臂上的硫氨酸基团将氨基酸传递到肢体上方的延伸位点。然后，大环沿着它的路径，直到它到达下一个氨基酸，在那里，同样的事情再次发生，直到没有剩下，环从另一端脱落。让一万亿这样的机器同时工作，它们就能大量生产出几十毫克的肽，只由单一序列组成。

“这仍然是一件非常简单的事情。与核糖体相比，它比我们的分子要好得多，这有点开玩笑——我们所能做的只是把几个肽键组合在一起，而核糖体一秒钟能做15个，”利说。尽管如此，核糖体中有大约一百万个原子，而我们的只有几百个。所以我们可以用一个非常简单的合成系统来模仿一些绝对巨大的东西，我们对这一概念感到非常兴奋。”

虽然分子机器在过去十年中取得了突飞猛进的发展，但目前还不清楚它们最终会有什么用处。斯托达特并不太担心未来会发生什么:“我们正处于一个非常陡峭的学习曲线的早期阶段。化学是一门基础科学，它需要一些空间来发展基础知识。这将是一个缓慢的过程，可能需要几十年的时间才能将该领域发展到可以应用于当今任何技术的阶段，但随后它将突然起飞，人们将看到所有这些基础发展可以带来什么。

利坚信这个领域需要的是一个杀手级应用。“一旦你发现分子机器可以做一件其他方法做不到的事情，那么不可否认，它们就会成为一项有用的技术。”生物学通过进化发现，分子机器是完成任务的最佳方式。我相信这对人类也是如此。”

维多利亚·理查兹是生活在英国剑桥的科学作家