我国学者与海外合作者在分子马达研究方面取得进展

　　

图 化学能驱动的单向旋转分子马达的设计与工作原理

　　在国家自然科学基金项目（批准号：21971267）资助下，中山大学赵德鹏教授课题组和合作者Ben Feringa教授报道了利用化学能驱动分子马达实现高单向连续转动。研究成果以“化学能驱动的单向旋转分子马达（Intrinsically unidirectional chemically fuelled rotary molecular motors）”为题，在《自然》（Nature）杂志上发表。论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05033-0。

　　自然界中，众多复杂的分子机器组成了生物体，其中分子马达发挥着独特且重要的作用，比如ATP合成酶。人造分子马达作为能量转换装置在纳米运输、分子泵、智能材料、信息储存以及生物医疗等方面有重要应用前景。然而，化学能驱动的人造分子马达的合成难度高、单向性较差和能量利用率低等因素导致相关研究进展缓慢。

　　赵德鹏教授团队长期致力于化学能分子马达的研究。在前期工作中，该团队提出了使用动态共价键构建分子马达的思路，并发展了一种新颖的基于联苯结构、利用正交保护基策略、以缩合剂为燃料的分子马达系统，实现了高单向性的360°旋转。然而，要达到“高单向连续转动的化学能分子马达”的目标，依然存在以下挑战：1）分子马达转动过程的每一个步骤都需要保证高单向性，同时避免因为布朗运动导致的单向性降低；2）为了保证分子马达转动的连续性，必须放弃正交保护基策略，转而通过构象控制实现环化过程的自主选择性；3）必须在同一个体系内，使得关环-翻转-开环这一系列步骤发生且具有相近的反应速率；4）化学燃料和马达反应速率应远高于燃料自身的水解速率，以降低背景反应和保证高燃料利用率。

　　针对这些挑战，赵德鹏团队巧妙的利用联苯骨架侧链的双手性中心，实现了同时调控环化单向性以及环翻转单向性，且实现了非保护基策略下化学能分子马达的单向性旋转。该团队以单晶XRD、核磁共振谱、圆二色谱等手段，清晰地表征了此分子马达体系的开环态、环状不稳定态和环状稳定态，描述了分子马达的高单向转动过程。通过去对称化策略，进一步展示了分子马达的360°分步转动。此外，该团队还实现了加入一次化学燃料，即可使分子马达在“一锅”酸碱振荡的条件下进行连续多步的单向转动。同样值得注意的是，该团队在研究过程中还发现了“动态动力学水解”的现象，并提出了分子马达的连续转动过程中存在的动态动力学控制现象，从而大大提升了转动单向性和燃料利用率。最终，在温和条件下（35°C），实现了化学能驱动分子马达的高单向性（7.2*10⁷/1）连续转动。该成果将为智能材料、仿生合成纳米机器以及智能药物的研究提供新的思路和物质基础。