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細胞表現出一系列由動力蛋白通過催化作用產生的機械活動。

這就提出了一個基本問題：化學反應的加速，如何使反應釋放的能量被分子催化劑轉導（從而完成功）。

在此，來自法國斯特拉斯堡大學和法國研究中心的Nicolas Giuseppone&英國曼徹斯特大學和華東師范大學的David A. Leigh等研究者展示了在人工催化驅動分子馬達定向旋轉的驅動下，交聯聚合物凝膠的動力收縮和動力再膨脹，從而在分子水平上將化學能轉化為機械能。相關論文以題為“Transducing chemical energy through catalysis by an artificial molecular motor”于2025年01月15日發表在Nature上。

幾乎所有的生物分子馬達都是催化劑。

它們通過催化燃料轉化為廢物的反應（通常是腺苷三磷酸（ATP）加水生成腺苷二磷酸（ADP）和無機磷酸），將能量轉化為細胞所需的多種任務所需的動力，包括運輸、合成和力的產生。

經過進化，馬達蛋白變得極為復雜，這使得回答催化作用如何將加速反應的能量轉化為運動這一基本問題變得困難。

盡管在肌球蛋白（一種肌肉中的力生成馬達蛋白）機制中發生了大幅度的粘彈性構象變化（稱為動力沖程），但分子機器是否需要動力沖程來產生力仍存在爭議。

人工分子馬達和泵可為分子層級運動的動力機制提供見解。分子機器已經與其他組件結合來執行任務，例如利用光驅動旋轉馬達實現凝膠的收縮。

然而，利用催化驅動的人工分子馬達（馬達蛋白的合成類似物）進行機械作業的嘗試仍未實現。

最近，有研究報道了一種通過有機催化燃料轉化為廢物反應運作的聯芳基分子旋轉馬達。該馬達分子催化碳二亞胺轉化為尿素的燃料反應，過程中暫時形成酐，使馬達能夠在二酸狀態下以不同的構象動力學進行運動。

通過引入手性碳二亞胺和手性水解促進劑，在化學機械循環中引入動力學不對稱性，從而實現轉子圍繞定子的連續方向性偏置360°旋轉。研究者探索了這種結構簡單的催化驅動旋轉馬達是否能夠被結合到軟物質基質中，通過馬達分子的催化作用（圖1c）將化學能轉化為機械作業（圖1b）。

馬達分子1（圖1a）是先前報道的旋轉馬達的類似物，其定子4-和5-位以及轉子3-和4-位延伸了末端炔基，能夠通過銅介導的疊氮–炔點擊環加成與末端疊氮聚合物結合。

在4-二甲氨基吡啶（DMAP）存在下，為馬達1添加二異丙基碳二亞胺（DIC）作為燃料后，觀察到暫時的酐形成，這表明馬達化學機械循環中的關鍵“酸–酐–酸”化學轉變不受額外功能化的影響。

在本文中，研究者展示了在人工催化驅動分子馬達定向旋轉的驅動下，交聯聚合物凝膠的動力收縮和動力再膨脹，從而在分子水平上將化學能轉化為機械能。

轉子圍繞催化驅動電機定子連續360°旋轉，凝膠聚合物框架中的分子將交聯網絡的聚合物鏈纏繞在一起。這逐漸增加了扭動和纏結，導致凝膠宏觀收縮到大約原來體積的70%。

隨后，另一種對映體充注系統的加入，可使馬達分子向相反方向轉動，解開纏結，使凝膠重新膨脹。在新的方向上持續的強力扭轉使凝膠重新收縮。

除了驅動外，凝膠中的馬達分子旋轉還會產生其他化學和物理結果，包括楊氏模量和儲存模量的變化——后者與馬達旋轉導致的鏈交叉增加成正比。

合成有機催化劑在負載下做功的實驗演示及其能量轉換機制，為圍繞生物馬達產生力的機制和人工分子納米技術的設計原則的爭論提供了信息。

圖1 聚合物凝膠的收縮與共價嵌入，化學燃料分子馬達。

圖2 凝膠-1在化學加注下的宏觀收縮。

圖3 凝膠-1在化學燃料收縮和隨后的化學燃料再膨脹前后的流變學和原子力顯微鏡比較。

圖4 化學燃料膨脹–燃料收縮凝膠樣品的再收縮。

當前用于驅動的人工化學（如pH）響應凝膠和聚合物通過切換操作。相比之下，凝膠-1中的馬達–分子單元通過激發基態構象變化的動力學偏壓來產生動力，從而實現動力學不對稱，這與生物馬達分子中發現的催化驅動信息棘輪機制相同。

這樣做，工作就積累起來了；電機的每一圈都逐漸增加所產生的力和所做的功。這與切換有本質上的不同，在切換中，通過改變開關狀態所做的任何工作都可以在一個完整的運行周期中撤消。

凝膠-1的力量產生和工作讓人想起肌球蛋白II，它是大多數動物細胞中為肌肉收縮提供動力的馬達蛋白（盡管凝膠-1是通過旋轉而不是線性分子水平的動力學起作用的）。

肌球蛋白II是一種分子量為450 kD的六聚體蛋白，而凝膠-1中的每個有機催化運動單元僅由17個非氫原子組成。

然而，在這兩種情況下，催化作用都會產生力，催化劑也會做功，將催化反應的化學能轉化為機械能和彈性能存儲（圖1b）。

合成馬達系統的簡單性意味著化學機械機制，通過它發生是明顯的。由于棘輪循環的兩個關鍵構象變化發生在對映體對映體(+)-1和(-)-1之間；(+)-1′和(-)-1′)，沒有動力沖程。

通過動力學不對稱，化學能轉換對負載工作的實驗演示提供了一個極簡的機械說明，催化驅動的分子馬達可以從混沌中提取秩序。

參考文獻

Wang, PL., Borsley, S., Power, M.J.et al.?Transducing chemical energy through catalysis by an artificial molecular motor.?Nature?637, 594–600 (2025).

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