随着科技的不断发展，计算机被逐渐小型化，人们甚至开始探索开发分子计算机的概念。确切来说，分子级的分子机器其实在自然界早有存在实体，也就是人们熟知的DNA分子，其所存储的遗传能够指导整个生物体进行完全发育和正常生理活动。另外，还有之前研究报道的马达蛋白也是一种分子机器，可以沿着微管定向移动，为人体运送各种物质。然而，目前这种精妙的分子机器在人工体系中还远远没有实现。
近日，来自曼切斯特大学&华东师范大学的David A. Leigh教授团队首次合成了一种分子机器，使其组成中的冠醚（“读取头”）可以通过化学燃料脉冲从溶液中泵送到编码分子链（“磁带”）上。此外，进一步的燃料脉冲则通过能量棘轮机制循环输送至一系列的编码分子链区域，然后将其释放回另一端。在其定向运输的过程中，冠醚会根据沿途结合位点的立体化学改变构象，从而允许编程到磁带区的立体化学信息通过圆二色性响应读出。相关研究内容以“A tape-reading molecular ratchet”为题发表于国际顶级期刊《Nature》，华东师范大学为共同通讯单位。该研究中所研发的分子机器具体包含三个部分，各部分之间分别由酸性不稳定的腙和碱性不稳定的二硫化物所隔开。第一段和第三段包含可质子化的N-苄基-α-甲基苄胺（非质子化：BMBA；质子化后：BMBA·H+），第二个段为非手性N-甲基三唑（MT）。冠醚与这三个部分的相对结合亲和性大小为：BMBA·H+> MT > BMBA。在加入CCl3CO2H后，冠醚读写头对BMBA·H+的亲和性最强，因此会与BMBA·H+配位结合。碱可以催化CCl3CO2H分解为CO2和CHCl3，因此，在少量三乙胺（Et3N）存在的情况下，CCl3CO2H所产生的脉冲使得冠醚读写部分与分子链磁带部分的MT亲和性更强。在持续添加CCl3CO2H时，冠醚沿分子链定向移动直至从链的尾端回到溶剂。图3 化学燃料分子机器对立体化学编码分子带序列的手性读出。正如前面所提到的，在不断添加化学染料的情况下，产生的脉冲通过能量棘轮机制将宏观循环传输到磁带的各个部分当中，随后再将其释放回分子链的另一端。BMBA存在立体异构性，定向迁移时，冠醚根据结合位点发生的立体化学改变构象所产生的信息序列可以通过圆二色谱（CD）响应读出。为了定义立体化学结合位点编码，研究者引入了平衡三元数字，即−1，0，+1，而非传统的0,1,2，从而增加前后相关性。这些数字的具体含义为：+1，R立体化学结合位点，CD 280nm处响应；−1，S立体化学结合位点，CD 255nm处响应；0，MT结合位点，无立体化学响应。通过系列实验，研究者成功在分子链上实现了对1，0，-1序列和-1，0，-1序列信息的读取。图4 分子机器移动时输出的CD光谱信息（编码−1，0，+1；−1，0，−1)。总结一下，该研究合成了一种在脉冲下初步具备信息读写能力的分子机器，其中冠醚作为“读取头”通过化学燃料脉冲泵送到编码的“磁带”分子链上，该过程中冠醚根据沿途结合位点的立体化学性质发生构象转变，再进一步通过圆形二色响应输出信息序列。该研究构建的方法成功实现了对分子链信息的读取，为人工纳米机器人沿着分子带的动力定向运动，并实现信息读取和最终写入提供了新思路。当然，该研究提出的分子机器目前来说仍是一种有限类型，只能在一个方向上进行移动和读取信息，但本身并不会自动记录输出中的顺序变化。研究者认为若能开发新的方法，通过构象变化来改变催化化学反应的立体化学结果，从而使分子机器可以在从磁带读取信息的同时将信息从一种形式转录到另一种形式，发生类似生物体中核糖体转录过程类似的机器功能，将是对进一步实现具有只能读写和记录输出的智能分子机器提供广阔前景。Ren, Y., Jamagne, R., Tetlow, D.J. et al. A tape-reading molecular ratchet. Nature (2022).DOI: 10.1038/s41586-022-05305-9https://doi.org/10.1038/s41586-022-05305-9
