使用化學「燃料」的小分子發動機，兩篇《Nature》系牛文賞析

知識 06-16

生物體內的眾多生理活動都依靠化學「燃料」三磷酸腺苷（ATP）供能，例如肌肉收縮以及分子的跨細胞膜轉運。多年來，化學家們一直試圖仿效這一過程，人工構建小分子發動機（molecule motor），儘管取得了一些成績，但這些分子機器始終沒有做到利用化學「燃料」供能並無需外界干預自主運轉。最近，英國曼徹斯特大學David A. Leigh教授團隊和荷蘭格羅寧根大學Ben L. Feringa教授團隊分別用不同的系統實現了上述目標，他們的論文分別發表在《Nature》和《Nature Chemistry》上，相差僅有兩天。

「生物體內的發動機是結構較大的蛋白質，」Leigh強調，「科學家們已經開始製造具有類似功能但結構更簡單的分子機器。」他坦陳目前的小分子發動機速度慢、效率低，而且應用有限，但他認為它們現在的狀況有點類似早期的汽車，「如果Karl Benz沒有在1885年製造不用馬拉的車，我們就不會有現在的賓士一級方程式賽車。」Leigh認為，這種小分子發動機可以在化學合成、藥物輸送、化學分析等領域運送目標分子，或者為微型機器人或者微型工廠供能。

Karl Benz的汽車。圖片來源：emercedesbenz.com

Leigh團隊的索烴

Leigh和Feringa的團隊都是在2000年前後開始研究小分子發動機。Leigh小組的相關成果首次發表2003年（Nature,2003, 424, 174-179, DOI: 10.1038/nature01758），他們使用的是被稱為索烴（catenane）的兩個互扣的大環狀分子。Leigh小組這次依然使用了索烴，而且結果也依然發表在《Nature》上。（An autonomous chemically fuelled small-molecule motor.Nature,2016,534, 235-240, DOI: 10.1038/nature18013）

使用化學「燃料」的小分子發動機，兩篇《Nature》系牛文賞析

圖片來源：NPG

Leigh小組設計的索烴包括一個稍小的大環分子和一個稍大的大環分子，其中稍大的大環分子作為「運行軌道」，稍小的大環分子可以在其上連續定向的移動，移動所需的能量來自化學「燃料」9-芴甲氧羰醯氯（9-fluorenylmethoxycarbonyl chloride，Fmoc-Cl）的不可逆反應。其中，「軌道」大環上存在兩個相對的位點，可以通過氫鍵緊密結合稍小的「移動」大環，有99%的時間，「移動」大環都停在「軌道」大環的這兩個結合位點上。在這兩個結合位點的順時針方向還分別存在一個羥基，可以與化學「燃料」Fmoc-Cl反應並結合。結合後的Fmoc基團，就像欄杆一樣，能阻止軌道上的「移動」大環移動。通過不斷的結合和移除Fmoc「欄杆」，「移動」大環就可以移動起來，而且總體移動方向還可以控制。

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圖片來源：NPG

這項工作的最精妙之處就在於如何控制「移動」大環的運動方向，關鍵就在於控制Fmoc基團的結合和移除。Fmoc從軌道上移除的反應速率是固定的，但結和的反應速率卻不一樣。當稍小的「移動」大環結合在「軌道」大環的結合位點上時，其附近的Fmoc-Cl結合位點與Fmoc-Cl的反應速率，要低於軌道另一端的Fmoc-Cl結合位點。也就是說，如果「移動」大環在「軌道」大環上順時針移動，Fmoc「欄杆」總是傾向於結合在遠端，不影響移動方向；如果「移動」大環在「軌道」大環上逆時針移動，它將總是傾向於遇到Fmoc「欄杆」，不能繼續。

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美國塔夫茨大學的Charles Sykes大讚這種方法「是非常漂亮的原理驗證系統」。不過，他也補充說，「因為很多燃料在到達發動機之前就消耗了，速度和效率還有待提高」。

「現在我們面臨的挑戰是製造更高效的小分子發動機，並用它們來執行一些任務，」Leigh回應道。

Groningen團隊的有機鈀

如果說Leigh團隊的索烴有點類似超小號過山車，那麼Groningen團隊的分子發動機就有點像一個迷你旋轉木馬。他們使用分子中的碳碳鍵作為「轉軸」，兩端連接著體積較大的化學基團，化學反應帶來的能量促使一個基團相對於另一個基團旋轉。這一系列的工作起始於2005年，他們當時使用了聯芳烴分子，通過條件不同的四個步驟來完成一次完整的旋轉（Science,2005,310, 80-82, DOI: 10.1126/science.1117090）。新的工作用的也還是聯芳烴分子，但使用了有機鈀催化劑，發表在《Nature Chemistry》上。（A chemically powered unidirectional rotary molecular motor based on a palladium redox cycle.Nature Chem.,2016, DOI: 10.1038/nchem.2543）

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