陳家文， 黃文婷， 孟家慧， 龍桂英， 李曉君

(華南師范大學(xué)華南先進光電子研究院， 廣州 510006)

分子機器在生命系統(tǒng)中無處不在，涉及從細胞分裂、運輸?shù)鞍踪|(zhì)、肌肉運動以及為生命過程提供動力的ATP的幾乎所有必需過程[1-4]. 了解自然、學(xué)習(xí)自然、改造自然一直是科學(xué)發(fā)展的動力源泉. 生物機器多樣的結(jié)構(gòu)和巧妙的功能[5-6]，為科學(xué)家從合成化學(xué)領(lǐng)域進入動態(tài)分子系統(tǒng)領(lǐng)域提供了巨大的靈感來源.

2016年諾貝爾化學(xué)獎授予法國斯特拉斯堡大學(xué)的SAUVAGE、美國西北大學(xué)的STODDART、荷蘭格羅寧根大學(xué)的FERINGA三位科學(xué)家，以表彰他們在分子機器設(shè)計與合成方面的卓越貢獻. 其中SAUVAGE和STODDART兩位科學(xué)家研究的分子機器主要是基于機械互鎖分子. 所謂機械互鎖分子是指該分子中至少存在2個以機械鍵維系而非共價鍵相連的部分[7-8]. 機械互鎖分子最常見的是索烴(Catenane)和輪烷(Rotaxane)兩類分子. 索烴是由2個或以上的環(huán)互鎖，其中一環(huán)繞另一環(huán)轉(zhuǎn)動. 輪烷則是一環(huán)穿在一個兩邊封端的軸上，環(huán)可沿軸平移. 索烴和輪烷都可以實現(xiàn)一些基本的機械運動. 而另一位科學(xué)家FERINGA的分子機器則是基于大位阻烯烴(Overcrowded alkenes)的順反異構(gòu)分子，利用雙鍵的順反異構(gòu)和單鍵的旋轉(zhuǎn)來構(gòu)建分子內(nèi)的相對運動. 本文主要綜述基于大位阻烯烴的光驅(qū)動分子馬達的研究進展.

1 大位阻烯烴分子機器的發(fā)展

分子機器是指在分子級別能根據(jù)外界刺激作出類似機械運動響應(yīng)的分子. 能對外做功的分子機器，一般被稱為分子馬達(motor)，是因為馬達通過做功，能將某種形式的輸入能量轉(zhuǎn)化為預(yù)定的某種形式的輸出能量.

關(guān)于大位阻烯烴的研究在FERINGA博士論文《關(guān)于形成手性分子開關(guān)基礎(chǔ)的手性大位阻烯烴》中早已闡述[9]. 在不對稱大位阻烯烴順-反式異構(gòu)體的合成中，使用了McMurry偶聯(lián)反應(yīng)，探討了扭曲烯烴可能顯示出阻礙異構(gòu)的現(xiàn)象. FERINGA認識到這些新型大位阻結(jié)構(gòu)具有內(nèi)在手性二苯乙烯型發(fā)色團，而生色基團不受二苯乙烯光引發(fā)成環(huán)反應(yīng)的影響. 這為10多年后的手性光開關(guān)和20年后的光驅(qū)動旋轉(zhuǎn)分子馬達的開發(fā)提供了重要的分子結(jié)構(gòu)基礎(chǔ). 在1991年，F(xiàn)ERINGA小組報道了這種手性大位阻烯烴的光異構(gòu)化[10]，并證明僅通過改變輻射光的波長，就可以控制分子的一半相對于另一半在任一方向上進行順時針或逆時針運動. 而控制旋轉(zhuǎn)運動的方向性是后期發(fā)展分子馬達的關(guān)鍵. FERINGA關(guān)于手性大位阻烯烴[9]和手性分子開關(guān)[10]方面的研究成果為后來第一個光驅(qū)動單向旋轉(zhuǎn)分子馬達的發(fā)現(xiàn)鋪平了道路. 該課題組1999年報道了首個光驅(qū)動單向旋轉(zhuǎn)分子馬達. 這種分子馬達具有2種不同的立體化學(xué)元件：螺旋結(jié)構(gòu)(P或M螺旋)和立體中心(R或S)[11]. 甲基取代基最初是為了測定絕對立體化學(xué)而引入的(圖1B)，它可以采用軸向(Meax)或赤道(Meeq)取向. 該研究發(fā)現(xiàn)，光照生成的不穩(wěn)定順式異構(gòu)體具有空間擁擠的Meeq，通過能量下坡熱螺旋反轉(zhuǎn)的過程可以恢復(fù)Meax取向，釋放空間擁擠的應(yīng)變力. 通過基于能量向上的光化學(xué)烯烴異構(gòu)化和能量向下的熱螺旋反轉(zhuǎn)這2個步驟，研究者們偶然發(fā)現(xiàn)了分子馬達的180°單向旋轉(zhuǎn)過程. 他們很快意識到，只要重復(fù)這2個過程，就可以實現(xiàn)完全單向旋轉(zhuǎn)循環(huán)步驟. 此循環(huán)由2個超快光化學(xué)步驟和1個決速熱步驟組成，構(gòu)成一個可重復(fù)多次的360°單向旋轉(zhuǎn)循環(huán). FERINGA對分子馬達的研究一直持續(xù)到今天，做出了許多連續(xù)突破性的工作. 2005年，VAN DELDEN等[12]分子馬達的下端引入額外的雙鍵，將溶液中的分子馬達固定在Au表面上，這樣使得分子運動從溶液中的相對運動轉(zhuǎn)變?yōu)樵诒砻嫔系慕^對運動，為后續(xù)的做功以及單分子觀測打下了基礎(chǔ). 該團隊又將分子馬達摻入到液晶中，質(zhì)量分數(shù)為1%的馬達分子不僅能驅(qū)動整個液晶分子的轉(zhuǎn)動，還能通過改變液晶表面的形貌起伏，轉(zhuǎn)動一個比分子大數(shù)千倍的微米級玻璃棒，實現(xiàn)了微觀分子驅(qū)動宏觀物體的目標，清晰地展示了分子機器將光能轉(zhuǎn)化為機械能的過程[13]. 更有趣的是2011年FERINGA小組[14]設(shè)計了一個四輪小車模樣的有機分子，4個輪子由對稱性不同的2組分子馬達組成，在注入電子的情況下可以使輪子向同一方向轉(zhuǎn)動. 這種將馬達和輪子整合的設(shè)計思路和現(xiàn)代汽車頗有異曲同工之妙！大位阻烯烴分子機器的發(fā)展歷程如圖2所示.

圖1 索烴、輪烷和大位阻烯烴的運動示意圖[7-8]Figure 1 The molecular motion of rotaxane, catenane and overcrowded alkenes[7-8]

圖2 大位阻烯烴分子機器的發(fā)展歷程Figure 2 The development of molecular machines based on overcrowded alkenes

要從分子過渡到動態(tài)分子系統(tǒng)，一個重要的挑戰(zhàn)就是如何克服無規(guī)則的布朗熱運動. 分子開關(guān)和馬達由于其自身運動的可控性，非常適合引入動態(tài)行為，達到亞穩(wěn)狀態(tài)并驅(qū)動分子系統(tǒng)遠離平衡態(tài). 本研究組主要專注于分子運動的精準控制、動態(tài)自組裝以及響應(yīng)型材料等關(guān)鍵科學(xué)問題的研究.

2 可控分子運動

在外界刺激下，分子開關(guān)可以在2個或多個穩(wěn)態(tài)之間相互轉(zhuǎn)化，因此可將其應(yīng)用于分子儲存器. 液晶是分子開關(guān)的理想宿主介質(zhì)，因為液晶具有將長距離組織與流動性相結(jié)合的特點，它們對環(huán)境、分子結(jié)構(gòu)或組成的細微變化具有較強的響應(yīng)能力. 2014年，本研究組提出在分子水平上由手性光開關(guān)控制膽甾相液晶液滴織構(gòu)(圖3)[15]. 證明液滴可以創(chuàng)建和控制光學(xué)可重寫的手性結(jié)構(gòu)，這種膽甾相液晶液滴的結(jié)構(gòu)具有可控、可逆轉(zhuǎn)變，有望實現(xiàn)分子手性的超靈敏檢測.

圖3 膽甾相液晶液滴中光致誘導(dǎo)的結(jié)構(gòu)和光學(xué)躍遷[15]Figure 3 The light-triggered pattern and change of a nematic liquid crystal droplet[15]

在發(fā)現(xiàn)分子馬達后，本研究組合成了大量的第一代旋轉(zhuǎn)分子馬達[16-17]，以提高旋轉(zhuǎn)速度，或?qū)⑽詹ㄩL轉(zhuǎn)移到可見光區(qū)域. 通過系統(tǒng)地改變空間參數(shù)，尤其是通過擴大“fjord region”以促進特定速率的熱螺旋反轉(zhuǎn)和通過改變立體中心取代基的大小，旋轉(zhuǎn)速度從每小時1周期提高到幾秒1周期. 然而，我們面臨的一個重要問題是介質(zhì)和尺寸將在多大程度上影響旋轉(zhuǎn)行為. 2014年，本研究組制備了一系列具有不同長度和柔韌性的懸掛桿的第一代分子馬達(圖4)，通過多種表征手段，確定了熱異構(gòu)化過程的動力學(xué)和熱力學(xué)參數(shù)[18]. 這些研究表明：溶劑的黏度是造成具有較長剛性臂的分子馬達轉(zhuǎn)動發(fā)生強烈延遲的主要因素. 溶劑黏度影響分子馬達旋轉(zhuǎn)運動的研究結(jié)果對分子馬達表面組裝的應(yīng)用研究具有重要意義，因為在表面上，環(huán)境對分子運動的影響將發(fā)揮明顯的作用. 同時，該工作對分子馬達在生物體內(nèi)尤其是復(fù)雜環(huán)境、高黏度環(huán)境的應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)作用. 《Chemical & Engineering News》對其進行了亮點報道(https:∥cen.acs.org/articles/92/i40/Molecular-Mixers.html)，評論其“為今后設(shè)計更復(fù)雜的分子機器提供了重要的指導(dǎo)作用”. TOUR研究組在其發(fā)表的論文中引用了本研究組的工作[19]，為他們使用分子馬達打開細胞表面雙分子層的研究提供了重要的指導(dǎo).

圖4 分子攪拌器運動示意圖[19]Figure 4 The motion of molecular stirrers[19]

隨著合成化學(xué)的不斷發(fā)展，新型分子機器的不斷研發(fā)，在此基礎(chǔ)上，本研究組進一步關(guān)注分子馬達控制功能的潛在應(yīng)用. 實現(xiàn)分子機器的潛在功能，其中一種方式是讓分子馬達完成特定任務(wù). 盡管迄今為止所設(shè)計的大多數(shù)人工分子裝置可以高精度觸發(fā)位置變化，但“貨物”從一個地點轉(zhuǎn)移到另一個地點的機械任務(wù)尚待深入研究. 因此，分子馬達在運動過程中的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是如何動態(tài)控制功能并允許執(zhí)行特定任務(wù). 生物系統(tǒng)中的分子機器能對外界刺激作出受控運動和運輸?shù)姆磻?yīng)，2016年本研究組設(shè)計了一種光驅(qū)動納米器件的分子內(nèi)貨物運輸裝置(圖5)[20]. 該裝置由3個不同位點組成：(1)貨物(即乙酰基)最初位于分子下半部分的位點A；(2)位點B在上半部分帶有一個巰基臂，可以抓住貨物；(3)位點C具有芐胺基團，在下半部分的另一側(cè)，貨物的運輸通過上半部分轉(zhuǎn)子相對于定子部分的光誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)運動來實現(xiàn). 巰基(位點B)可以與酚酯(位點A)反應(yīng)，并從下半部分拾取乙?；纬闪虼宜猁}. 隨后，通過光觸發(fā)中心雙鍵的180°旋轉(zhuǎn)，使新形成的硫代乙酸酯(位點B)和芐胺基團(位點C)緊密相鄰，使S—N乙酰發(fā)生轉(zhuǎn)移. 最終這些操作使分子內(nèi)乙?；鶑奈稽cA到位點C的轉(zhuǎn)移距離約為2 nm. 研究首次展示了分子內(nèi)貨物運輸?shù)臋C械任務(wù)，證明了分子機器的功能潛力.

圖5 光驅(qū)動分子馬達的分子內(nèi)乙?；\輸操作示意圖[20]Figure 5 The motion of a “cargo” transporter in a light-driven molecular motor[20]

3 表面自組裝系統(tǒng)

如前文所述，克服由于分子碰撞和振動而導(dǎo)致的布朗運動是分子機器發(fā)展的一個重要挑戰(zhàn)，這種碰撞和振動會永久性地擾亂任何受控運動. 分子表面自組裝是克服該問題的重要方法. 第二代分子馬達特別適合該類自組裝行為，因為定子部分允許引入各種“支腿”用于表面錨固，使轉(zhuǎn)子部分可以自由進行光驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)運動(圖6A). 與溶液類似物不同，當(dāng)分子馬達被限制在擁擠的單分子層中時，存在分子間的相互作用(圖6B),因此先前設(shè)計的雙足分子馬達的異構(gòu)化過程會受阻. 此外，采用雙足、三足單元在表面錨定的方法會出現(xiàn)“擺動”的不穩(wěn)定現(xiàn)象，因此，在基于分子馬達的表面結(jié)合裝置中，其主要挑戰(zhàn)是提出有效的表面功能化策略并在表面結(jié)合系統(tǒng)中實現(xiàn)暢通無阻的旋轉(zhuǎn)運動. 2014年，本研究組提出利用“四腳固定”的方法，將分子馬達錨定在石英表面(圖6C)[21]. 通過設(shè)計帶有IV價定子的馬達，增加表面結(jié)合的馬達之間的自由體積，從而最小化分子間的相互作用，同時剛性的四足結(jié)構(gòu)能更牢固控制定向轉(zhuǎn)動，可以克服分子馬達在表面上轉(zhuǎn)速降低的問題，實現(xiàn)精確控制表面的光響應(yīng)行為. 這一突破性的研究為新型功能分子馬達的設(shè)計和研究提供了理論指導(dǎo)，為開發(fā)更先進的、動態(tài)的表面錨定系統(tǒng)奠定了基礎(chǔ).

圖6 表面上方位角旋轉(zhuǎn)和垂直旋轉(zhuǎn)的分子馬達以及四足馬達在石英表面的組裝[21]Figure 6 The azimuthal and altitudinal rotating molecular motors on surfaces and the assembly of the tetrapodal motor on amine-functionalized quartz[21]

本研究組在實現(xiàn)精確控制表面光響應(yīng)行為的基礎(chǔ)上，進一步探索其應(yīng)用. 目前，對分子機器運動行為的表征大多局限于溶液相的統(tǒng)計學(xué)表征，而單個分子機器受環(huán)境影響可能產(chǎn)生的特定運動軌跡則無法進行具體描述，這為進一步建立響應(yīng)一致的分子機器自組裝體系的設(shè)計帶來了困難. 同時，在單分子水平上，分子馬達在石英表面單向旋轉(zhuǎn)細節(jié)的研究受到衍射極限的限制，這阻礙了傳統(tǒng)光學(xué)方法對動態(tài)位置信息的收集. 2017年，本研究組提出使用離焦寬視場成像的方法(圖7A)[22]，解決了監(jiān)測單個合成光驅(qū)動分子馬達旋轉(zhuǎn)的挑戰(zhàn)，并解釋了旋轉(zhuǎn)循環(huán)的細節(jié). 在模擬單個ATPase蛋白馬達旋轉(zhuǎn)運動的可視化實驗中(圖7B)，我們使用了一個具有多組分的分子系統(tǒng)，利用單分子熒光技術(shù)直接可視化研究組裝在石英表面上的單個馬達的旋轉(zhuǎn)功能(圖7C)[23]. 通過離焦寬視場成像成功檢測了分子在表面組裝時單分子水平的馬達旋轉(zhuǎn)，證明了單個分子馬達的運動是不受布朗運動影響的可控運動，并展示了相關(guān)運動的大量機械細節(jié)，這對于進一步理解、設(shè)計和應(yīng)用分子馬達至關(guān)重要.

圖7 單分子旋轉(zhuǎn)的可視化[22]Figure 7 The visualization of single-molecule rotation[22]

4 響應(yīng)聚集自組裝系統(tǒng)

分子自組裝成具有較大形貌且動態(tài)可控的超分子結(jié)構(gòu)是生物系統(tǒng)正確運行的必要條件. 在用于自組裝的組件中引入光學(xué)開關(guān)構(gòu)建超分子系統(tǒng)，可以使系統(tǒng)對外部光信號進行響應(yīng)并重新配置. 例如，光活化和氧化還原活性的雙硫代亞噻吩單元形成了兩親物的核心，其特別設(shè)計用于形成高度穩(wěn)定的納米管[24]. 本研究組使用大位阻烯烴為核心元件，實現(xiàn)了從納米管到囊泡再到納米管的轉(zhuǎn)變(圖8)，系統(tǒng)對光和熱的響應(yīng)是完全可逆的，因此具有更復(fù)雜的適應(yīng)性行為[25]. 這是首次報道的分子馬達在水介質(zhì)中能表現(xiàn)出完全保留其功能性的自組裝行為，對于在水中發(fā)展響應(yīng)性自組裝系統(tǒng)有很好的前景. 一旦分子馬達功能的全部潛力被利用，我們有望在光驅(qū)動的自組裝系統(tǒng)中實現(xiàn)自適應(yīng)和遠離平衡態(tài)行為.

圖8 在水中納米管與囊泡的轉(zhuǎn)變[24]Figure 8 The switch between nanotubes and vesicles in water[24]

利用人工分子機器做功的一種方式是利用分子機器的聚集體在宏觀上造成可觀測的變化. 例如將已有的分子機器整合到材料中，在分子水平上通過各種尺度放大，讓分子機器在微觀層面做功并改變材料的宏觀性質(zhì). 諸如人工肌肉類型材料的軟致動器構(gòu)造的應(yīng)用前景迷人，軟致動器可以根據(jù)輸入的能量改變形狀而執(zhí)行相應(yīng)的機械功能. 而有待解決的一個重要問題：怎樣有序地整合分子機器. 分級自組裝是解決此問題的有效方法. 2018年，本研究組提出了基于小分子的分級超分子自組裝的分子肌肉系統(tǒng)[26]，描述了由光響應(yīng)兩親性分子馬達的分級自組裝形成的超分子系統(tǒng)(包括質(zhì)量分數(shù)為95%的水)，實現(xiàn)了宏觀收縮肌肉運動，首次報道了在水中直接觀察到基于光響應(yīng)分子馬達的分級超分子非共價系統(tǒng)的宏觀運動(圖9、圖10)，該系統(tǒng)還能在空氣中朝向光源擺動到飽和的彎曲角度. 此外，在空氣中的提升重物實驗證明了這種光致動過程的內(nèi)在潛力(圖11). 在光照射之后，體系能夠朝向光源彎曲45°，具有足夠的致動力來提升重量. “人工分子肌肉”在水和空氣中作為光驅(qū)動響應(yīng)材料的成功設(shè)計為人造機械材料和柔性機器人技術(shù)的發(fā)展邁出了重要的一步. 這該工作得到國際同行和各類期刊的高度關(guān)注、引用和評論. 《Chemical & Engineering News》撰寫專欄“Molecular Motors Made Into Muscles”進行亮點論文報道 (https:∥cen.acs.org/articles/95/i49/Motor-molecules-made-muscles.html),評論它“是一種‘人工肌肉’類型的響應(yīng)材料，是分子機器領(lǐng)域的一個重要里程碑，揭示了分子馬達的重要應(yīng)用前景”. 該報道還引用美國德州達拉斯大學(xué)人工肌肉專家BAUGHMAN教授的評價：“該材料是基于非共價鍵合的小分子體系，且含有質(zhì)量分數(shù)高達95%的水溶液，能夠像高分子水凝膠一樣，快速響應(yīng)光信號，具有極高的形變效率和幅度. 相信其在生物相容材料以及在可控藥物釋放方向有著極大的應(yīng)用”. 法國斯特拉斯堡大學(xué)超分子聚合物專家GIUSEPPONE教授也在該報道中評價：“該材料為制備軟致動器材料提供了一個重要工具”. 此外，STUPPS研究組在其發(fā)表的論文[27]中評價：“該工作為首例基于超分子聚合物的光致動器”. 華東理工大學(xué)田禾院士團隊在其最近發(fā)表的論文[28]中評論該工作是一個“巧妙的設(shè)計”. 美國國家科學(xué)院院刊在2018年刊發(fā)的分子機器領(lǐng)域展望文章[29]中評論該工作“給人造機械材料以及機器人的發(fā)展提供了很大的幫助，可能為分子機器的實際應(yīng)用打開了一扇大門”.

圖9 光響應(yīng)分子馬達自組裝形成納米纖維[26]Figure 9 The nano fibers formed with hierarchical assembly of light-responsive molecular motors[26]

圖10 String在水中受光或光和熱驅(qū)動的響應(yīng)[29]Figure 10 The motion of strings in water with light or with light and heat[29]

圖11 String在空氣中的光響應(yīng)運動以及重物提升實驗[29]Figure 11 The motion of strings in air to lift weight[29]

5 結(jié)束語

分子機器屬于基礎(chǔ)研究，理念超前，極具挑戰(zhàn)性. 通過對分子結(jié)構(gòu)的精準調(diào)控實現(xiàn)對分子功能和性質(zhì)的調(diào)節(jié)，提出有效的表面功能化策略實現(xiàn)控制分子機器在表面的光響應(yīng)行為，以及利用分子機器的聚集體在宏觀上造成可觀測的變化. 人工分子馬達的研究才剛開始，其在納米技術(shù)中的巨大潛力將被發(fā)掘，利用大位阻烯烴的分子馬達在分子機器領(lǐng)域?qū)⒂懈蟮陌l(fā)展前景.

致謝：感謝黃文婷為本文付出的文獻檢索與主要撰寫工作，以及孟家慧、龍桂英、李曉君參與的文獻調(diào)研工作.