多年以来，化学家一直在寻找一种类似于细胞中的化学能源三磷酸腺苷（adenosine triphosphate ，ATP）的分子，用于实现蛋白质马达的功能。近日，英国曼彻斯特大学（the University of Manchester） David Leigh团队实现了这个目标。而仅仅在两天前，荷兰格罗宁根大学（the University of Groningen） Ben Feringa团队也用不同的马达系统实现了该目标。
Leigh和同事制备出的，由Fmoc-Cl（红点）作为燃料的索烃回转马达。
“蛋白质马达具有巨型分子结构，”Leigh解释道“科学家们正在制备更简单的分子机器。”他承认目前的研究成果仍然低效，且进展缓慢。但是这项工作好比第一辆汽车，充满意义。“如果没有Karl Benz于1885年制造出的老式汽车，也不会有现在的梅赛德斯一级方程式（Mercedes Formula 1）赛车。”
Leigh表示，日后该体系有望实现材料的运送，来构建新分子或者进行化学分析。它们甚至还可以驱动微型机器人或工厂。
Leigh和Feringa的团队都是在世纪之交，开始致力于分子反应的研究。Leigh团队的分子马达于2003年被制备出来。该分子马达由两个互扣的大环分子组成，被称作索烃（catenanes）。原先，化学家们很难制备出两环相套的化合物。“因为这需要按照特定的顺序，发生一系列化学反应，”Leigh介绍道。
既是屏障，也是燃料
曼彻斯特的科学家们于6月8日发表了新设计出的索烃，该索烃在燃料存在的条件下，可以持续运转。索烃的小环沿着顺时针方向绕大环旋转。大环的两端，两个位点则通过氢键紧紧扣住小环。99%的时间，小环与这些位点相连。剩下1%的时间，由于与其他分子的碰撞，小环处于拥挤状态。
在羟基位点，小环绕大环顺时针快速旋转。此外，“化学燃料”9-芴甲氧羰基氯化物（Fmoc-Cl）可以与大环反应和连接。但是，不如研究者所愿的是，Fmoc物理阻碍了小环的运动。为了驱动小环顺时针运动，Leigh团队将两个互扣的环，置于可以连续地结合和移除Fmoc屏障的环境中。
这项研究中的一个巧妙之处是：Fmoc燃料屏障的结合速率不同，但是移除速率相同。在有小环存在的大环末端，Fmoc与羟基结合缓慢。因此，在小环顺时针转动经过下一个羟基时，Fmoc屏障可能还未与大环结合。但是，在小环逆时针转动时，它更可能找到被Fmoc屏障隔离的结合位点，然后很快地回到起始位点。
美国塔夫斯大学（Tufts University）Charles Sykes称赞道，“这是一个漂亮的生物机器原理证明系统”。不过，他补充道：“该系统在实现马达功能之前，就会消耗大量燃料，因此显得缓慢而低效。”
“现在挑战与机遇并存，科学家们需要制备出更高效实用的马达，并且利用他们完成任务，” Leigh回应道。
新旋转体
Feringa团队基于钯的氧化还原循环反应制备的分子旋转马达。
相比之下，格罗宁根大学的科研团队把碳碳键作为分子马达。这项研究成果发表于6月6日。就像车轴上连接的轮子一样，碳碳键两端连接着庞大的化学基团，化学反应使得一个基团相对于另一个基团旋转。 Feringa团队基于他们在2005年的工作，构建出新的系统。在该系统中，他们使用了联芳，即碳碳单键的两端连有芳香环。然后，他们通过纯粹的化学方法，逐步地使环螺旋状旋转。在生成转体的过程中，研究人员使用了四种不同的反应条件。
新系统需要在不同的条件下，通过四步反应，使环旋转。其中，碳氢键的活化和氧化加成反应依赖于钯催化剂。在该反应中，钯配合物结合于芳烃之间的旋转轴上。其中，有两个关键的反应步骤。在这两个步骤中，位于分子上面的环相对于下面的环每步旋转180°，进而驱动化合物的旋转。“这项研究开启了催化体系中的旋转马达系统研发之路，”Feringa评论道。“我们下一步打算建立一个化学燃料系统。”
Sykes强调，有序反应使得联芳体系的反应速率慢于轮烷马达。“然而，由于催化体系具有氧化还原性质，使得该类分子马达有望通过电化学实现控制。”他补充道。
钯的作用，突显出诸如联芳，索烃或者ATP驱动蛋白之类的所有分子马达的共同点，Leigh评论道。“马达是一种将高能化学试剂转化为低能产物的催化剂，”他补充道。“其中的关键是利用能量，实现运动。”
翻译：杨镐羽 审稿：林然
内容源：http://www.rsc.org/chemistryworl ... mical-fuel-proteins
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