夢想成真！裝上「天線」後，分子馬達可利用這種光碟機動了
2020-10-30 科學大觀園雜誌
新一代紅外光分子馬達。
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。
1999年，UOG有機化學教授Ben Feringa介紹了第一種光碟機動的單向旋轉分子馬達。此後，分子馬達研究不斷取得進展。然而，它們的應用卻受到動力源因素的限制——其動力源為紫外光，紫外光在大多數場景下都會對周邊材料造成損害。
研究人員曾嘗試用低能量的近紅外光子驅動分子馬達，可惜一直未取得成功。
在新一代紅外光分子馬達中，天線經連接器與分子馬達相連，將捕捉到的近紅外光子傳遞給致動部分，進而驅動馬達運轉。
在新研究中，Feringa實驗室的科學家們嘗試了另一種方法：引入共價鍵連接馬達分子和天線，天線可以吸收兩個近紅外光子，由此天線接收的刺激信號將被傳遞到分子的致動部分。
這是激發態的直接轉移。正如彈奏吉他時，高度相似的兩個音符會產生共鳴，分子馬達的設計理念與之類似。
Feringa實驗室的博士後研究員Lukas Pfeifer解釋說：「為了讓這個系統能正常運轉，天線和馬達的能量級別必須密切協調。這意味著，天線提供的能量剛好能精確驅動我們設計的分子馬達運轉。而且，連接器也不能干擾到馬達的旋轉。」
此外，複雜的事件序列使分子馬達運轉的時間範圍十分寬泛（從幾皮秒到幾分鐘）。研究人員使用核磁共振與超快光譜技術對不同的時間規律進行了研究，最終得出了最佳設計方案。
Feringa說：「經過多年的設計，我們終於夢想成真，突破了分子旋轉馬達對高能紫外光的需求。」
這是人工分子馬達研究的重要裡程碑。下一階段，研究人員希望簡化其結構，增加系統功能。新馬達分子也許可以用作生物系統中的觸發器，幫助釋放囊泡內容物。
原創編譯：德克斯特 審稿：西莫 責編：陳之涵
期刊來源：《科學進展》
期刊編號：2375-2548
原文連結：https://phys.org/news/2020-10-infrared-antenna-powers-molecular-motor.html
版權聲明：本文為原創編譯，中文內容僅供參考，一切內容以英文原版為準。轉載請註明來源。
相關焦點
-
紅外光「天線」為分子馬達添動力
在新一代紅外光分子馬達中，天線經連接器與分子馬達相連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。 -
JACS:「純」的光碟機分子馬達
其中，光碟機分子馬達表現出的遠程操控、無損等特性使得其具有最為廣泛的應用前景。 圖1. 常規的分子馬達在構型轉變的過程中會經歷熱棘輪（thermal ratcheting）步驟（圖1a）：分子A在光反應後會得到一個不穩定的同分異構體B，而B需要經歷一個熱力學過程轉變成相對穩定的C -
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
這種微型、可控的機器只是一個新興領域的最新發展，這個領域跨越了化學和材料科學，應用於新材料、傳感器和儲能系統。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。」 -
科學家利用DNA螺旋槳解析了分子馬達的運動
每一個機械運動——從收縮肌肉到複製DNA——都依賴於分子馬達，它們的運動非常微小、幾乎無法檢測。與DNA相互作用的分子馬達可以抓住雙螺旋結構，從一個鹼基爬到另一個鹼基，就像爬螺旋樓梯一樣。為了觀察這些微型機器的運動，研究小組利用了扭轉運動的優勢：首先，他們將與DNA相互作用的分子馬達粘在一個剛性支架上。 -
實現利用人造分子馬達,操縱電子自旋!
然而，近年來手性分子自旋選擇性電子輸運的研究發現。，即所謂的手性誘導自旋選擇性(CISS)效應，提出了一種利用有機材料作為自旋電子應用的自旋過濾器替代方法。通過這種效應，右旋分子和左旋分子分別產生上旋和下旋。（圖示）人工分子馬達的單向旋轉，藍色螺旋代表人造分子馬達。 -
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。為了觀察這些微型機器的運動，研究小組想要利用這種扭轉運動。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。 -
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。 -
向大自然學習,做出人造分子馬達
相關技術在納米級無法避免的激烈熱運動中也可高效發揮作用，有望作為人造分子機器的設計原理加以利用，有助於將來開發出生物體親和性高的致動器（比如人造肌肉）以及模仿生物的新型信息處理裝置。即使在這種狀況下，負責在細胞內傳輸物質的生物分子馬達也可高效率地自主單方向運動。也就是說，在激烈的熱運動中製造了具有方向性的運動，而這一分子機器構建上的最基本設計原理卻一直未能查明。 -
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. -
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。 -
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。 -
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「因此，電動機具有99％的方向穩定性，這使其區別於其他類似的分子電動機，」格羅寧博士解釋說。「通過這種方式，分子電動機為原子級的能量收集開闢了一條途徑。」微型電動機可以由熱能和電能驅動。 -
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。 -
「分子機器」成化合物研發新工具
    機械鍵提出後的最初十年，一些科研團隊在實驗室合成分子鏈，始終無法達到實用需求。隨後幾年，該領域研究一直不見成效。    分子機器預言成真    關於分子機器，著名的諾貝爾獎獲得者理察·費曼曾指出，未來我們會用分子造出含有多個活動部件的機器，這種機器小到只有用電子顯微鏡才能看到，「未來25年到30年內，這種分子機器會獲得實際運用，但最先用的是什麼機器，我不知道 -
新型化學能驅動分子馬達的設計與合成
剩下的半個循環即M3到M1的單向旋轉可遵循相同的原理完成。該過程中由於動力學產品的七元環張力太大從而具有極低的翻轉能壘，因此作者在實驗條件下未能監測到（圖3）。在整個循環後，該分子馬達圍繞碳碳單鍵實現了360°的旋轉，並且具有高度單向性。 -
《應用化學》-中科院化學所-生物分子馬達組裝
近日，在中國科學院、科技部和國家自然科學基金委的支持下，膠體、界面與化學熱力學院重點實驗室的研究人員與德國馬普膠體界面研究所合作在生物分子馬達的分子組裝方面取得新進展，研究工作發表在近期出版的德國《應用化學》（Angew -
Cell | 細菌鞭毛馬達「定子」單元的分子機制
它們平時處於一種塞緊的、失活的的狀態，除非通過馬達互作或者與肽聚糖的結合而激活。馬達轉子的旋轉是由經過定子的離子梯度勢能驅使的。有研究猜測結合在定子上的離子誘導了定子本身的構象變化。大量的遺傳學實驗結果表明在馬達分子上的突變會導致細菌運動能力的減弱，這種突變被稱為Mot-(無運動性)；或者突變導致控制馬達旋轉方向的不足，這種突變被稱為Che- -
2016年諾貝爾化學獎:分子機器將在未來25-30年內出現
於是他把大量時間花費在了做木工上，這樣的經歷鍛鍊了他日後作為一名化學家的一種能力：識別形狀並判斷它們之間如何才能組合到一起。他對化學感到著迷，他夢想成為一名分子藝術家——塑造新的形狀，那些這個世界從未見識過的分子形狀。當司徒塔特做出讓他獲得2016年諾貝爾獎的成果的同時，他同時也在利用化學性質創造能夠相互吸引的分子方面取得進展。 -
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。 -
原子模擬揭示葉綠體如何利用光能
該細胞器受到刺激後，與自然存在的表現相同。 （Christopher Maffeo）科學家模擬了一種光合細菌的光捕獲結構的原子構造，解析了細菌如何將光能轉化成機體生長所需的能量。據研究人員報導，他們模擬出的細胞器和自然生物中的細胞器十分相似。這項工作有助於了解對生命至關重要的生物創新，即生物體結構如何將太陽光轉化為可以利用的化學能量。