諾獎結果,再獲進步:Leigh組Science報導化學燃料驅動的分子馬達和分子泵

2021-01-19 X-MOL資訊

‍‍‍‍


分子機器獲得的2016年諾貝爾化學獎，被不少人看作是近年來少有的頒給「純化學」研究的諾貝爾化學獎。能擊敗當時的其他獲獎大熱門，從另一個側面說明人造分子機器有希望和潛力改變人們的現實生活。


且不談其他，人造分子機器想要縮短與實用的距離，還需要不斷進步。分子泵和分子馬達作為兩種重要的分子機器，需要實現的一個重要目標就是能夠實現受控的定向運動，類似自然界生物系統中的生物分子馬達那樣。2016諾獎得主之一Ben Feringa教授開創的大位阻烯分子馬達能夠定向運動，但是此類分子機器只能進行旋轉運動，而不能進行線性運動；另外，該系統大多需要光能或熱能的驅動，不像是生物系統中的分子馬達那樣可以高效地使用化學分子（如三磷酸腺苷）作為「燃料」。


生物分子馬達可催化化學燃料的水解，並使用釋放的能量通過信息棘輪（information ratchet）機制引導運動。近日，英國曼徹斯特大學的David Leigh教授團隊提出了基於溶液酸鹼性變化的另一類能量棘輪（energy ratchet）機制，使用化學燃料，可以驅動旋轉運動和線性運動的人造分子機器，在一種機制下構建了分子馬達和分子泵。相關成果近期發表於Science 雜誌。（這裡為David Leigh教授打個廣告，他在華東師範大學課題組正在招聘博士後，年薪30萬）

本文提出的兩種轉動分子馬達及一種線性運動分子泵。圖片來源: Johannes Richers & David Leigh Group


文中所述的一種轉動分子馬達為下圖中的[2]索烴1。[2]索烴1•H+由24步合成得到，包括一個稍大的大環分子（作為「運行軌道」）和一個稍小的冠醚分子（在「運行軌道」上移動）。研究者首先進行的是[2]索烴的分步運動。在酸性條件下，1•H+的冠醚環（紅色）位於「運行軌道」上質子化的二苄銨結合位點（藍色）處，並被酸性下穩定的二硫化物位阻基團「欄杆」（紫色）所阻擋。當加入過量的三乙胺（Et3N）後，二苄銨位點去質子化成二苄胺（綠色），使得「運行軌道」上的三唑鎓基團處（橘黃色）成為冠醚環熱力學更穩定的結合位點；而且，在此鹼性條件下，通過硫醇2介導的二硫化物3與「運行軌道」上二硫化物「欄杆」的可逆交換，紫色「欄杆」打開，冠醚環可以順利地移動到三唑鎓結合位點；同時，在此鹼性條件下，「運行軌道」上的另一處「欄杆」——腙位阻基團（黃綠色）較為穩定，阻擋冠醚環繼續向這個方向運動。此時再加入三氟乙酸（CF3CO2H）至溶液呈酸性，二苄胺位點被重新質子化成二苄銨，再次成為冠醚環熱力學更穩定的結合位點；與此同時醯肼4與腙位阻基團發生可逆交換，黃綠色「欄杆」打開，冠醚環移動到二苄銨結合位點，並被酸性下穩定的紫色「欄杆」阻擋，從而確保了運動的單向性。到此，冠醚環完成了定向的360°旋轉。實驗數據表明，一個循環中大約93%的冠醚可以完成這樣的旋轉運動。

[2]索烴1/1•H+分子馬達旋轉運動的分布操作過程。圖片來源：Science


在合成[2]索烴（1）的同時，研究人員分離出了[3]索烴5。不同的是，[3]索烴5含有一個稍大的大環分子作為「運行軌道」和兩個稍小的冠醚分子作為運動元件，相對應的結合位點以及位阻基團都多了一倍。[3]索烴5/5•2H+分子馬達旋轉運動的原理與[2]索烴1/1•H+分子馬達相同，兩個冠醚分子都可完成定向的360°旋轉。

[3]索烴5/5•2H+分子馬達旋轉運動的分步操作過程。圖片來源：Science


取得這些成果之後，研究者們並未滿足，他們覺得這種分布操作需要加入過量的酸和鹼，從而產生副產物鹽，「化學燃料」浪費了不少。那麼有沒有更經濟更省事的方案呢？答案是「有」！


在前人研究的啟發下，研究者們修改了「燃料配方」，用三氯乙酸（Cl3CCO2H）代替了三氟乙酸。在三乙胺的催化下，三氯乙酸可以在室溫下高效地發生脫羧反應，降解生成氯仿和二氧化碳。如果初始狀態下三氯乙酸過量，足以質子化分子馬達中的二苄胺位點並催化腙位阻基團的交換，完成180°的旋轉；隨後三乙胺催化三氯乙酸的降解，逐漸將溶液環境從酸性變為鹼性，二苄銨位點去質子化並催化二硫化物位阻基團的交換，完成剩下的180°的旋轉。這就意味著，加一次燃料就可以完成整個360°的旋轉過程，不用分步，不用再加化合物，同時燃料的無謂消耗減少，效率提高。

圖片來源：David Leigh Group


實驗結果證明，三氯乙酸：三乙胺：[2]索烴1的比例為80:19:1時，在室溫下需要15個小時完成前半圈運動，從1變成了1•H+，隨後再過2個小時，三氯乙酸耗盡，再完成剩下的半圈運動。而溫度升高到60 ℃時，整個運動過程僅需1小時。而且，繼續添加燃料，分子機器依然可以完成360°的旋轉運動。不過，隨著循環次數增加，加入燃料導致體系總體積增加，稀釋效應會導致二硫化物和腙位阻基團的交換變慢，整個系統的效率會變低。另外，2-甲基-2-丁烯的加入有助於清除氯仿分解產生的少量副產物以提高效率。

[2]索烴1/1•H+分子馬達加燃料一次（A）和四次（B）的運動過程。圖片來源：Science


最後，基於同樣的原理，作者設計合成了線性運動分子馬達（分子泵）6。在加入一次三氯乙酸燃料後，可以在線型軸上套上兩個冠醚環生成[3]索烴7；再多加幾次燃料，可生成帶四個冠醚環的[5]索烴8。

線性運動分子泵6的循環操作過程。圖片來源：Science


圖片來源：David Leigh Group


——總結——


David Leigh教授團隊實現了利用化學燃料（三氯乙酸）驅動人造分子馬達來完成定向旋轉以及線性運動，其操作簡單、高效，副產物對於體系運轉幾乎沒有明顯的影響。而且，這種能量棘輪機制可用於設計由化學能驅動的各種分子機器，以完成更為複雜的任務。另外，筆者認為，要是分子馬達的合成再簡單點就更好了。


原文（掃描或長按二維碼，識別後直達原文頁面）：

Rotary and linear molecular motors driven by pulses of a chemical fuel

Science, 2017, 358, 340-343, DOI: 10.1126/science.aao1377


導師介紹

David Leigh

http://www.x-mol.com/university/faculty/2423


參考資料：

http://www.catenane.net/pages/2017_chemical_fuelled_motor.html


（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

  • 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。
  • 中山大學趙德鵬團隊在新型化學能驅動分子馬達設計與合成獲突破
    光碟機動分子馬達目前已得到較好的發展且在智能材料等領域得到一定應用，但其在黑暗條件下或光難以穿透的體系中的應用具有一定的局限性，因此發展跟自然界相似的化學能驅動分子馬達具有重要意義。而化學能驅動的分子馬達目前則面臨著合成便利性、反應正交性、能量有效利用以及單向性等一系列問題。
  • 專訪諾獎得主費林加:再過50年,機器能植入體內修復細胞
    專訪諾獎得主費林加：再過50年，機器能植入體內修復細胞 澎湃新聞記者 張蓓 2016-11-16 21:08 來源：澎湃新聞
  • 解讀2016年自然科學諾獎
    值得一提的是，作為2016年第一個揭曉的諾獎獎項，生理學或醫學獎揭曉後，不少人驚呼：又是日本人！ 這是繼2012年和2015年以後，諾貝爾生理學或醫學獎再次頒發給日本科學家。去年，當中國人為屠呦呦獲得2015年諾獎生理學或醫學獎而喜出望外時，諾獎官網上關於2015年諾獎生理學或醫學獎的獲獎名單上，還寫著另外兩個人的名字，其中一個就是日本科學家大村智。
  • 深度解讀2016諾貝爾化學獎:分子馬達與納米火箭
    Feringa）分享了2016年諾貝爾化學獎， 表彰他們「發明了行動可控、在給予能源後可執行任務的分子機器」。 信息技術的發展帶來了小型化的技術革命，今年獲得諾貝爾化學獎的工作把化學研究帶入了一個全新的維度。
  • 國人何時再獲諾獎：一個沉默的話題
    科學網作者：李明陽　　諾獎中的和平獎、文學獎，由於多多少少涉及了一些政治因素，或者評價標準比較模糊，其公正性、權威性存在些許爭議。其他四個獎項，尤其是生理學或醫學、物理學、化學學科的諾獎提名，通常都沒有多大爭議。
  • 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
    相對於目前的刺激響應性高分子材料，超分子自組裝材料由於分子間的非共價鍵連結，具有可重構、高適應性和功能可切換的優點。圖1展示了一種超分子肌肉的特點，它將分子尺度的運動轉化為了宏觀的機械能。這種超分子肌肉能夠在水相中自組裝並完成特定的刺激響應。這種材料的製備包括兩個步驟，首先帶有親水和疏水取代基的分子馬達通過在水相中自組裝成單根膠束。隨後引入鈣離子和剪切力作用，使膠束取向組合為捆狀宏觀膠束。
  • 諾獎大預測:2019年諾貝爾化學獎會頒給誰?
    諾貝爾化學獎難預測，但還是有跡可循雖然諾貝爾化學獎可以說是最難預測的諾獎，但是縱觀歷年來的經驗和獲獎名單，發現其實也是有跡可尋的。首先，我們來了解一下化學界的學術領域，化學界的學術領域主要是：有機化學，無機化學，分析化學，生物化學，物理化學，理論化學。1.隔年領域不重複。現任化學獎委員會主席Gustafsson曾說過，連續兩年相近領域獲獎的可能性很低。
  • 諾獎八卦：那些官方不會告訴你的「潛規則」
    （來源：作者自製） 要獲得諾獎需要時間驗證，再重大的成果，也無法獲得當年的諾獎？整個LIGO團隊非常龐大，在建設和觀測過程中起到過關鍵領導作用的科學工作者就有數十人。從中選出三位獲獎者實在不是一兩次討論就能解決的問題。諾貝爾獎是得到全球公認的科學世界第一大獎，諾獎委員會也需要在秉持自身原則的基礎上儘量讓評選結果經得住歷史的考驗和後世的評說。因此，基普·索恩、萊納·魏斯和巴裡·巴裡什晚一年時間獲得諾獎，可能也是評委們做出的慎重選擇。
  • 南方日報:分子機器——微觀世界的「大力士」
    不少學者評論，「分子機器」屬於比較前沿、基礎的研究，距離應用尚遠。似乎不符合諾獎偏重應用的「傳統」。不過，這項研究獲諾獎青睞，無疑是對基礎科學研究的認可，這對於從事基礎研究的科研人員來說，是激勵與鼓舞。 成果如何 已制出分子電梯分子纜車等 何為分子機器？
  • 饒毅等提出腦研究的「化學連接組」新概念
    論文的新途徑為「化學連接組學」（chemoconnectomics），它是建立在化學連接組概念之上、結合分子生物學和遺傳學方法的研究途徑，並有助於切入化學連接通路。論文的新資源為開展化學連接組學研究，饒毅實驗室通過分子生物學和遺傳學製作了逾百個果蠅基因的數百株基因修飾的品系，提供了實現化學連接組學所必需的資源，而其設計和製造對應用至關重要。
  • 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。
  • 97歲"鋰電池之父"等三位科學家獲諾獎
    更多相關內容：細胞氧氣感知獲2019諾獎:或幫助治療貧血癌症等疾病宇宙演化獲物理學諾獎：他們仨讓我們重新認識宇宙網易科技訊10月9日消息，北京時間10月9日17點45分，約翰·B·古迪納夫（John B.
  • 16位華人獲「諾獎風向標」斯隆獎,4人來自北大數院
    諾獎風向標斯隆獎1955年設立，由美國艾爾弗·斯隆基金會（The Alfred P. Sloan Foundation）每年頒發一次，以表彰那些在其研究領域內被認為最有前途的早期職業學者。最初分為物理學、化學、和數學三個方向。後來陸續增加了神經科學、經濟學、計算機科學、以及計算和進化分子生物學方向。
  • 獨家｜諾獎大猜想：夏普萊斯二拿化學獎？
    桑格爾是1958年和1980年諾貝爾化學獎得主，此後40年，再無科學家能在諾獎「梅開二度」。在現今曾獲得諾獎的科學家中，美國化學家巴裡·夏普萊斯（K.Barry Sharpless）被認為最有可能再度獲得諾獎。憑藉在手性催化氧化反應方面的貢獻獲得2001年諾貝爾化學獎後，夏普萊斯開拓了一個全新領域——點擊化學。
  • CRISPR技術獲諾獎,為什麼張鋒與諾獎失之交臂?
    2016年，兩人再獲阿爾珀特獎，2020年，兩人又同獲沃爾夫獎。實際上，人們第一次發現CRISPR序列是在1987年，由日本分子生物學家石野良純（Yoshizumi Ishino）在大腸桿菌中偶然發現，但是第一次證明CRISPR/Cas9可以進行基因編輯，是美國分子生物學家杜德納和瑞典于默奧微生物研究中心的法國微生物學家夏彭蒂耶在《科學》雜誌發表的第一篇研究論文。
  • 三人分獲諾貝爾化學獎 設計合成「分子機器」
    因其尺寸多為納米級，又稱生物納米機器，具有小尺寸、多樣性、自指導、有機組成、自組裝、準確高效、分子柔性、自適應、僅依靠化學能或熱能驅動、分子調劑等其他人造機器難以比擬的性能，因此研究生物納米機器具有重大意義。最近二十年化學家則想在實驗室裡用合成的小分子來模擬一些生物大分子機器或者宏觀機器的功能，被稱為人工分子機器（Artificial molecular machine）。
  • 拓撲、細胞自噬、分子機器,中國距離諾獎這些領域還有多遠?
    清華大學教授俞立2008年回國任教，對於國內近些年在生命科學領域的進步深有感觸。「如果將細胞自噬研究比作一座大樓，那麼中國科學家已經為這座大樓增添了新的樓層。」「細胞自噬的研究才剛剛開始」，張宏說，中國科學家有能力在這個領域做出更大貢獻。諾貝爾物理學獎獲得者鄧肯·霍爾丹。
  • 2020諾獎預測出爐！「引文桂冠」獎公布，諾貝爾化學獎會是他嗎？
    9 月 23 日，擁有 Web of Science、InCites 等著名論文及期刊索引平臺的科睿唯安公司（Clarivate Analytics）宣布了 2020 年「引文桂冠獎」得主，預測在今年或未來可能獲得諾獎的科學家。共有 24 位科學家入選，其中包含知名華人學者戴宏傑。
  • ​ 分子馬達,帶上「小弟」一起轉圈
    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.