中山大学Nature：化学能驱动的单向旋转分子马达

一、【导读】

分子马达在生命系统中发挥着举足轻重的作用。在过去的几十年中，人工分子机器的设计和应用取得了显着进展，以实现电机、肌肉、运输机或泵等机械功能。然而，连续和自主的化学驱动旋转的单向马达的仍然具有挑战，因为适当的吉布斯自由能会随着围绕单个键的每个旋转状态而变化，并且每个化学步骤的活化能（即动力学）需要通过一组反应精确控制。2016 年，Leigh及其同事报告了一种基于链烷的自主化学驱动分子系统，该系统具有涉及布朗棘轮机制的偏向性。然而，抑制随机布朗运动和设计单向旋转、化学能驱动的类ATP酶自主分子马达仍然难以实现。作者所在团队设计了基于双芳基结构的化学驱动旋转分子马达，在芳基之间形成了一个瞬态桥，促进了具有高单向性的atropisomeric构象相互转换。然而，这些系统需要操纵保护基团或连续的化学步骤，并且不能自主运行。

二、【成果掠影】

近日，中山大学的赵德鹏和的格罗宁根大学&华南师范大学的Ben L. Feringa开发了一种由化学能提供燃料的自主单向旋转分子马达。该马达具有三个不同立体化学元素的同手性双芳基，在化学燃料的驱动下，两个芳基能围绕一个单键轴进行重复和单向的360°旋转。在自主旋转周期内酯环化、螺旋反转和开环的过程依次进行，旋转的单向性可高达99%。同时，本文展示了该分子旋转马达的两种工作模式：i）与化学燃料的脉冲和酸碱振荡同步运动；ii）在有化学燃料的情况下，在略带碱性的水环境下自主运动。该马达凭借简单的能量提供方式和单向旋转的控制等的优势，在未来多组件执行机械的应用中展示出了巨大的潜力。研究成果以题为“Intrinsically unidirectional chemically fuelled rotary molecular motors”发布在国际著名期刊Nature上。

三、【核心创新点】

• 联芳基分子马达家族

四、【数据概览】

图1. 连续旋转分子马达的设计和概念示意图：a. 分子马达的结构和主要特征；b. 连续旋转动态动力学水解过程势能图；c. 以化学能为燃料的分子马达连续顺时针360°旋转过程的示意图（绿色：转子上具有两个手性中心的羧酸基团；红色和蓝色：定子上的羟基基团）；d. 设计的分子马达结构的演变以及环化和螺旋反转后的动力学/热力学产物的比率 ©2022 Springer Nature

图2. 通过降低定子的不对称性来验证分子马达的单向360°旋转：a. Motor-Br 360°旋转的六个步骤；b. 六种异构体的部分1H 核磁共振光谱  ©2022 Springer Nature

图3. 与化学燃料和酸碱振荡脉冲同步360°旋转  ©2022 Springer Nature

图4. 分子马达的连续旋转：a. Motor-1-K和Motor-1-T水解速率的测定；b. 动态水解动力学实验；c. 由化学燃料驱动的分子马达的连续旋转；d. 在Motor-3从0小时连续旋转到24小时期间从反应混合物中提取的样品的HPLC色谱图 ©2022 Springer Nature

五、【成果启示】

本文开发了一种由化学能提供燃料的自主单向旋转分子马达。不同于通过小偏差（主要是布朗运动）运行的系统，该系统利用其中固有手性元素的优势，旋转主要由自主旋转周期内酯环化、螺旋反转和开环的过程实现。同时，本文展示了该分子旋转马达的两种工作模式：i）与化学燃料的脉冲和酸碱振荡同步运动；ii）在有化学燃料的情况下，在略带碱性的水环境下自主运动。该马达凭借简单的能量提供方式和单向旋转的控制等的优势，在未来多组件执行机械的应用中展示出了巨大的优势。

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-05033-0