​ 分子馬達,帶上「小弟」一起轉圈

2021-01-16 X-MOL資訊

‍‍‍‍


分子馬達最早指的是生物系統裡的一類蛋白質，例如肌肉組織中的肌球蛋白，它們負責把細胞內的微觀尺度運動轉化為各個組織器官的宏觀運動。化學家們一直致力於合成人工分子馬達以求模擬生物系統，並擴展其應用範圍。人工分子馬達的理念首先由納米技術先驅Richard Feynman在1961年提出，經過大約半個世紀的不斷探索，終於在去年獲得諾貝爾獎的表彰。儘管如此，擺在科學家面前的挑戰仍然還有很多。比如，生物系統裡的分子馬達可以將某個局部的有序運動轉移到另一區域，就如同齒輪一樣的帶動整個系統同步運動，而想要模擬這種耦合的同步運動在化學上卻極其困難。


近日，去年諾貝爾化學獎得主之一荷蘭格羅寧根大學Ben L. Feringa教授團隊在Science 上報導了一種新型分子馬達，實現了由光碟機動單向運動的分子馬達帶動與之相連轉子的同步受控運動。此設計基於該團隊的第二代分子馬達——位阻烯烴，包括上下兩部分並以烯鍵作為轉動軸，該團隊對光化學順反異構變化和同步運動過程中的動力學能壘進行精準操控，最終實現了分子馬達不同部分的耦合運動。

新型分子馬達的前視示意圖。圖片來源：Science


該團隊對於這種「主動帶動被動」分子運動的第一次探索是在2005年（Org. Biomol. Chem., 2005, 3, 4071）。當時的設計中位阻烯烴分子馬達連接了間二甲基苯環（下圖紅色部分）作為轉子，光照條件下分子馬達的上下兩部分單向轉動，而轉子部分則是做無規則轉動，分子馬達上下兩部分的相對位置會影響到轉子的轉動，在一定程度上起到了「剎車」的作用。不過，由於分子馬達與轉子的空間相互作用並不夠，分子馬達的轉動並沒有傳遞到轉子上帶動轉子同步運動。

圖1. 分子馬達「剎車」。圖片來源：Science


在這篇文章中，作者對分子進行了重新設計，使用了第二代分子馬達，並把早先的間二甲基苯環轉子用萘基轉子（下圖紅色部分）替代，這是為了保證在整個360˚的轉動循環中，萘基的轉動能壘要高於熱螺旋翻轉（thermal helix inversion）的能壘，從而抑制隨機無規則熱轉動。如下圖所示，第一步，在光照條件下，馬達的上半部分進行順反異構帶動萘基轉子繞馬達下半部分滑動；接著，受熱條件下熱螺旋翻轉使得萘基轉子繞到馬達的另一面；然後同樣是光照下的滑動和受熱後的轉動，使馬達和轉子繼續運動並完成一個循環。整個過程中萘基轉子始終保持著同一面朝向馬達的下半部分，並且其自身繞著單鍵為軸的轉動被鎖死。

圖2. 新型分子馬達的運動過程。圖片來源：Science


拋開文中詳細研究的耦合運動機理的立體化學變化不談，這篇文章主要傳達了兩個層面的意思：第一，分子馬達中運動的傳遞依賴於運動過程各個階段恰當的能壘設計，在此項工作中主要體現為轉子的熱螺旋翻轉能壘低於萘基轉動能壘；第二，為了對整個轉動過程中各種狀態進行準確判斷，需要有合適的特徵元素來幫助在實驗中清晰地表徵運動循環中的分子結構，此項工作中所用的核磁、紫外可見吸收光譜、X射線單晶結構解析以及圓二色譜等在這裡不一一贅述。

圖3. 運動循環中中間體的表徵（1H NMR、X射線單晶結構、紫外可見吸收光譜）。圖片來源：Science


——總結——


這篇文中所提到的系統與其他的合成分子機器的不同在於其轉動的單向性、連續性、自發性，並且這些性能在運動傳遞到轉子的過程中仍能得以保留。雖說模仿或是超越複雜的生物系統還有很長的路要走，但是分子機器領域正在蓬勃發展，這篇文章則是撥開了艱難道路上的又一塊荊棘。


原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

Locked synchronous rotor motion in a molecular motor

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


部分內容編譯自：

http://science.sciencemag.org/content/356/6341/906


（本文由PhillyEM供稿）






本文版權屬於X-MOL（x-mol.com），未經許可謝絕轉載！歡迎讀者朋友們分享到朋友圈or微博！


長按下圖識別圖中二維碼，輕鬆關注我們！

點擊「閱讀原文」，查看所有收錄期刊

相關焦點

  • DNA、摺紙與分子馬達
    之所以被稱為分子馬達，是因為這是一些具有馬達功能的蛋白質大分子。試圖看清這些分子馬達的運動就好比試圖從地球上觀看在月球上進行的足球比賽。首先，他們將與DNA作用的分子馬達固定在一個剛性支架上。一旦固定了，它就必須旋轉螺旋以從一個鹼基移到下一個鹼基。所以，如果他們能測量螺旋是如何旋轉的，就能確定馬達分子是如何運動的。但研究人員面臨著另一個問題：每當一個馬達分子穿過一個鹼基對時，旋轉就會使DNA移動幾分之一納米。這種移動實在是太微弱，即便用最先進的光學顯微鏡也無法檢測。
  • 新型化學能驅動分子馬達的設計與合成
    具有最高單向性的化學能驅動旋轉分子馬達的設計與合成運動的控制是未來分子馬達和機器運行的決定性參數，因此需要構建和開發能夠精準控制分子運動的結構。其中化學能驅動的分子馬達的方向性主要由所涉及反應的立體選擇性決定。
  • 分子馬達:世界上最小的電動機
    由瑞士聯邦材料科學與技術實驗室（Empa）和洛桑聯邦理工學院（EPFL）的科學家聯合研究小組，開發了一種分子馬達，該分子馬達僅由16個原子組成，並且可以在一個方向上可靠地旋轉。它可以允許原子級的能量收集。電機的特點是，它恰好在經典運動與量子隧穿之間的邊界處移動，並且向量子領域的研究人員揭示了令人費解的現象。
  • JACS:「純」的光碟機分子馬達
    分子機器的構思源於廣泛分布於人體內的分子馬達（Molecular Motors）——一種能將外部能量持續轉化成定向運動的蛋白質，它在外部刺激下能夠進行特定的運動。本站之前也有過一些關於分子馬達研究的介紹（ 　　【超分子】環糊精與二苯乙烯的又一次配合：線性分子馬達的模擬物 　　、Angew：中科院化學所在生物分子馬達組裝及其應用研究方面取得新進展），正如這些研究成果所展示的，人造分子馬達已經成為了當今化學研究中最為熱門的話題之一。
  • 世界上最小的分子馬達被研發出來了
    來自瑞士的一組研究人員研發出僅由16個原子組成的分子馬達。世界上最小的分子馬達瑞士聯邦材料科學與技術實驗室Empa的功能性表面研究小組負責人合著者OliverGrning博士說：「這使我們能夠接近分子電動機的極限尺寸了。」
  • 科學家開發出可見光碟機動的分子馬達
    科學家開發出可見光碟機動的分子馬達 作者：小柯機器人 發布時間：2020/12/31 23:25:00 華東理工大學曲大輝等研究人員合作開發出可見光碟機動的分子馬達。
  • 旋轉分子馬達:ATP合成酶,生命能量的「印鈔機」
    生命活動與體內的輸運過程密切相關，像我們在宏觀層次中用到的熱機一樣，在生物體內也存在著許多具有馬達功能的微觀「機器」——分子馬達(molecular motor)，又稱馬達蛋白。物理機械意義上的馬達是指將其他形式能量轉化為機械能的機器，生物上分子馬達是把化學能直接轉換為機械能的酶蛋白大分子的總稱，它們廣泛存在於肌肉纖維和細胞組織內部。
  • 深度解讀2016諾貝爾化學獎:分子馬達與納米火箭
    隨後的1991年，斯託達特成功製備了輪烷，其中一個分子為鏈，一個分子為環，環分子可以繞鏈轉動。在此基礎上，科學家成功研製了分子起重機、分子肌肉和分子晶片。費林加則是發展分子發動機的第一人。1999年，他製備了一種能夠持續朝一個方向轉動的分子發動機，用它轉動了比它大一萬倍的玻璃杯，並且設計了一個微型車。 本屆諾貝爾獎獲獎者帶化學走出了僵局，並用給予能量的方式控制了分子的運動。
  • 紅外光「天線」為分子馬達添動力
    光控分子馬達可以用於製造功能材料或者構建命令響應型系統。若要將分子馬達應用於生物領域，它必須由足以穿透組織的低能量、低強度光所驅動。《科學進展》雜誌當地時間10月28日發文稱，荷蘭格羅寧根大學（UOG）的化學家們設計了一種新型旋轉馬達——通過在馬達分子上安插「天線」，使其可以有效利用近紅外光作為驅動力。
  • 納米級的「直升機」:DNA、摺紙、分子馬達
    之所以被稱為分子馬達，是因為這是一些具有馬達功能的蛋白質大分子。試圖看清這些分子馬達的運動就好比試圖從地球上觀看在月球上進行的足球比賽。在發表於《自然》的一項研究中，由哈佛大學的莊小威教授與哈佛醫學院的尹鵬教授等研究人員利用DNA摺紙技術，首次記錄了一個分子馬達在從一個DNA鹼基對移動到下一個時的旋轉角度。
  • 裝上「天線」後，分子馬達可利用這種光碟機動了
    光控分子馬達可以用於製造功能材料或者構建命令響應型系統。若要將分子馬達應用於生物領域，它必須由足以穿透組織的低能量、低強度光所驅動。《科學進展》雜誌當地時間10月28日發文稱，荷蘭格羅寧根大學（UOG）的化學家們設計了一種新型旋轉馬達——通過在馬達分子上安插「天線」，使其可以有效利用近紅外光作為驅動力。
  • 向大自然學習,做出人造分子馬達
    日本信息通信研究機構（NICT）2016年11月15日宣布，通過人為設計，成功開發出了新型生物分子馬達。
  • 科學家利用DNA螺旋槳解析了分子馬達的運動
    現在，根據最近發表在《自然》雜誌上的一項研究，由美國霍華德休斯醫學研究所研究員Xiaowei Zhuang及其實驗室的博士後Pallav Kosuri、博士生Benjamin Altheimer組成的研究團隊，捕獲了分子馬達從一個DNA鹼基對移動到另一個鹼基對的第一個旋轉步驟記錄。
  • 科學家開發出了世界上最小的分子馬達 由16個原子組成
    科學家開發出了世界上最小的分子馬達 由16個原子組成 來源：科技日報 • 2020-06-18 17:31:40 據物理學家組織網16日報導，來自瑞士聯邦國家實驗室(Empa)和洛桑聯邦理工學院(EPFL)的科學家開發出了世界上最小的分子馬達
  • Cell | 細菌鞭毛馬達「定子」單元的分子機制
    有意思的是，該馬達的旋轉既可以是順時針的，也可以是逆時針的，特定的趨化因子信號可以誘導轉子的翻轉，引起馬達旋轉方向的改變。值得注意的是，原核生物旋轉分子馬達的「定子家族」是除了ATPase家族外，唯一一個用跨膜離子濃度梯度而不是ATP產生機械動力的馬達分子，而其中MotAB則是這類「定子家族」中功能研究最深的典型【2】。
  • 浙大科學家研究分子馬達 解釋病毒為何能穩定複製
    綠色為外殼，淡黃色為DNA鏈，紅色即分子馬達。也許你還對2016年諾貝爾化學獎的主角「分子機器」記憶猶新：3位科學家以人工方法創造了世界「最小機器」，而仿照的對象正是大自然中千姿百態的分子機器。在我們體內，就存在許多生物分子機器，它們把化學能轉變為機械能，從而為種種生命運動提供能量。
  • [​景警有約·一起看新疆]帶你雲遊「城中沙漠」
    [​景警有約·一起看新疆]帶你雲遊「城中沙漠」 2020-10-08 22:20 來源：澎湃新聞·澎湃號·政務
  • 實現利用人造分子馬達,操縱電子自旋!
    人工分子開關和機器在過去幾十年裡經歷了快速的發展。特別是，從旋轉過程中手性開關的角度來看，人工分子馬達具有很高的吸引力。現在研究人員製造了一種電子自旋過濾裝置，它可以通過光輻照或熱處理來改變自旋極化方向。這一結果有利於納米分子開關運動所產生固態功能的發展。
  • 近紅外光天線為納米馬達提供動力，分子機器又前進了一步
    新一代紅外分子馬達歐洲化學家已經在分子作者在《科學進展》雜誌上的一篇論文中寫道：「光控人工智慧分子機器在分子科學革命方面具有巨大潛力。自動化的運動使得智能材料和系統得以被設計出來，這些材料和系統的特性可以在命令下響應、適應和被修改。」在過去的幾十年裡，我們看到了微型計算機技術的革命性影響，同時在機器的微型化方面也發生了一場並行的革命。
  • 諾獎得主、分子馬達發明者Feringa對分子機器的發展展望:分子機器大有可為
    對響應性材料和動態分子體系的研究是未來材料領域的一種重要發展方向。以往的研究主要是通過超分子材料、自組裝單層等材料的分子識別、結合和自組裝等功能製備新型材料。目前，通過功能性官能團或分子開關實現材料的外部控制（例如光控）逐漸成為研究熱點。然而，為了解決將分子發展為動態分子體系面臨的挑戰，材料的設計需要從單個分子尺度出發。同時，賦予材料感知能力，自驅動性和適應性也是更為複雜的挑戰。