化学家如何建立分子组装线? 地平线杂志


2016年,三位建筑分子机器的先驱者获得了诺贝尔奖。 他们的工作开创了新局面。 但是他们因创造而获得奖励的第一批分子机器大部分是简单的事务,例如转子,开关等。 现在,英国曼彻斯特大学的戴维·利(David Leigh)教授等化学家正在尝试制造具有多个组件的复杂分子机器,这些机器可以做有用的工作。

建立分子机器对于精英化学家来说是一项工作,但是交易的基本技巧很容易掌握。 其中一些涉及构建彼此机械连接的分子。 例如,您可能会构建轮烷,这是一种拧在轴上的环状分子。 如果沿轴放置不同组的原子,然后操纵它们的属性-可能会释放和带走静电荷-则可使环沿轴移动。 这是一种可以在更复杂的分子机器中使用的简单组件。

生化工厂

我们可能用更先进的分子机器(或称为“ nanobot”,有人称之为“纳米机器”)做什么? Leigh教授对建造像化学装配线一样工作,合成具有有趣特性的新化学物质的纳米机器人特别感兴趣。 他的灵感来自于核糖体,核糖体是一种在细胞内生化的能制造蛋白质的生化工厂。 它需要称为氨基酸的简单结构单元,该结构单元只有20种不同的自然变体,并将它们缝合在一起成为长链或聚合物。 根据氨基酸的顺序,这些链将自身折叠成各种生物材料的惊人组合-从构成我们的皮肤和头发的角蛋白到我们的肌肉纤维。

化学家们制造了一系列惊人的人造聚合物,但要控制这些结构单元连接在一起的顺序是极其困难的。 Leigh教授说:“特定序列的聚合物是化学领域尚未解决的挑战。” 但他认为分子机器可能是一种解决方案。 如果我们拥有可以组装聚合物的分子机器,那么它们将不仅限于自然界拥有的20个氨基酸构件,因此它们可能会制造出更加奇妙的材料。

荷兰格罗宁根大学的化学家纳塔莉·凯特尼斯(Nathalie Katsonis)教授说,要实现可以制造具有序列特异性聚合物的机器,绝非易事。 “但是我坚信这项研究将在化学的未来以及材料科学的未来中发挥重要作用。”

Leigh教授一直在2014年开始的MOLFACTORY项目中追求这一目标。Leigh教授及其团队在2017年的一篇重要论文中表示,他们可以构建分子机器人手臂,该机器人手臂是简化版,而且体积要小得多。那些把汽车放在一起的。 该手臂抓住一种反应性化学物质,并将其移至两个位置之一。 根据化学品所处的位置,化学品以不同的方式反应,生成不同的化学品。 进一步发展,像这样的机器可以产生类似于核糖体产生的蛋白质的序列特异性聚合物。 就像不同的蛋白质可以产生力(肌肉)或比钢(蜘蛛丝)产生五倍的力一样,这可能使我们可以对人造聚合物做类似的事情,例如“序列特定的聚苯乙烯”。

美国缅因州大学缅因大学的雷蒙德·阿斯图米安(Raymond Astumian)教授说:“大卫和他的团队正在做出惊人的创造性工作。” 他们不仅使分子机器具有潜在的实际用途,而且还旨在回答基本问题。

由在Leigh教授实验室工作的GermánZango博士领导的另一个名为ProgNanoRobot的项目试图将这种生产机器人进一步推广。 该项目有许多目标,包括生产可以使用化学燃料的机械臂;以及以及能够长距离(即在原子尺度上)运输分子货物的纳米装置。

该项目运行于2019年至2021年3月,目前尚未发布任何结果。 但是Zango博士取得了一些关键的成功。 他说,他生产了一种可以将分子货物从一个机械臂生产到另一个机械臂的装置,从而实现了能够长距离运输的目标。

Zango博士说,从事研究工作“可能使我们迈向有用的分子纳米技术的曙光,这同时是一个巨大的挑战,也是一次激动人心的经历”。

“我确实确实认为,最终分子机器将以工业革命或互联网的方式彻底改变事物。”

英国曼彻斯特大学David Leigh教授

扳机

在不久的将来,纳米机器人研究需要克服几个重大挑战。 目前,通常情况下,需要为分子机器供给一系列特定系列的化学触发器,以使它们起作用。 如果使用该系统大规模生产聚合物,则会产生大量废物。 Zango博士的工作的一部分进行了研究,以减少所需的化学触发物的数量或使用光作为触发物。 Zango博士说:“我们试图实现的最具挑战性的事情之一是使用单一化学输入来为机器的整个运行周期提供燃料,或者仅使用光电开关。”

Leigh教授说,另一个巨大的挑战是纠错。 纳米级机器与人类级机器人截然不同,因为它们总是受到随机性的影响。 您可以设置一个分子机器来完成特定的工作,但是您永远无法确保它一直都能正常工作。 生物学也必须解决这个问题。 在我们的身体中,有一套制造生物分子的分子机器–另一套整套的机器专门从事寻找和纠正第一套机器所犯错误的工作。 利教授说,在某些时候,人工分子机器将必须具有某种纠错机制。 这类工作仍处于起步阶段。

尽管如此,在2020年10月,Leigh教授和他的团队朝着构建序列特定的聚合物合成仪迈出了重要的一步。 他们建立了一个基于轮烷的机器人,其中的一个环沿着轨道“走”,沿途拾取分子并将它们结合在一起。 结果仅将四个分子连接在一起-与蛋白质中成百上千的蛋白质相去甚远-但这仍然是一大进步。

利教授说,有时似乎会夸大分子机器的功能。 但他认为,从长远来看,这是合理的。 他说:“我确实确实认为,最终分子机器将以工业革命或互联网的方式彻底改变事物。” 利教授补充说,但这肯定需要时间。

他承认,用分子机器无法做的事,用其他方法不能更简单地完成。 但是,当您发明一些新东西时,这是可以预期的。 利说:“这很像石器时代的人制造一个轮子来碾碎玉米。” 他不知道有一天它将被用来制造汽车。

本文中的研究是由欧盟资助的。 如果您喜欢这篇文章,请考虑在社交媒体上分享。



This article – “化学家如何建立分子组装线? 地平线杂志
” – was originally published in Horizon, the EU Research & Innovation magazine

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