分子機(jī)器的發(fā)展歷史

朱達(dá)

摘要：科學(xué)的發(fā)展往往遵循著理解自然、模擬自然、超越自然的規(guī)律。對于分子機(jī)器這一領(lǐng)域的研究同樣如此，生物學(xué)家們研究自然界中生物體系的運行發(fā)現(xiàn)了生物大分子機(jī)器發(fā)揮的巨大作用及其運轉(zhuǎn)的基本原理。在此研究基礎(chǔ)上，化學(xué)家們希望通過化學(xué)的方法，人工合成制造出同樣性能優(yōu)異的小分子機(jī)器來模擬生物大分子機(jī)器，最終希望能有超越自然的分子機(jī)器被發(fā)明出來造福人類。

關(guān)鍵詞：分子機(jī)器；發(fā)展史

那么人工合成小分子機(jī)器的研究是怎樣開始的呢？首先源于一個設(shè)想。1959年，理查德·費曼（Richard P.Feymann，1918～1988，1965年諾貝爾物理學(xué)獎得主）在美國物理協(xié)會上做了題為《在底部還有很大空間》的演講，展望了極小尺度操作和控制物體的相關(guān)問題和其特殊的科學(xué)意義。也就是在這篇報告中提出了“分子機(jī)器”的概念和設(shè)想。然而分子機(jī)器是什么樣子的，應(yīng)該如何制造這樣的機(jī)器，費曼并未能夠回答這些問題。不過有了這樣的猜想，已經(jīng)足以引起化學(xué)家們強(qiáng)烈的興趣和探索欲望，通過此后半個多世紀(jì)的研究和發(fā)展，分子機(jī)器神秘的面紗終究被一點點揭開。

美國西北大學(xué)的教授弗雷澤·斯托達(dá)特（Fraser Stoddart）給分子機(jī)器的定義是：在合適的外界刺激下能夠執(zhí)行像機(jī)器一樣的運動的分子組裝體。作為一種超分子體系，分子機(jī)器各組分之間相互作用都較弱，即使有合適的外界刺激，也很難形成有效的運動軌道，即很難形成分子內(nèi)的相對運動，也就無法實現(xiàn)機(jī)器的功能。解決這一矛盾主要得益于基于機(jī)械鍵的互鎖分子組裝體的出現(xiàn)，這些組裝體也就是我們通常所說的索烴和輪烷。1953年沃森和克里克用模型搭出了DNA的雙螺旋結(jié)構(gòu)，同年機(jī)械互鎖分子的概念被提出。20世紀(jì)60年代這些分子終于被合成分離出來，但是普遍面臨合成難度大、產(chǎn)率低的困境。直到1983年，法國路易斯巴斯特大學(xué)教授讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）領(lǐng)導(dǎo)的研究小組用金屬模板法高效地合成了索烴，此后分子機(jī)器的發(fā)展進(jìn)入了嶄新的篇章。分子機(jī)器研究領(lǐng)域中另一個重要的里程牌出現(xiàn)在1991年，當(dāng)時就職于英國謝菲爾德大學(xué)的弗雷澤·斯托達(dá)特利用芳香物種間給電子-缺點子相互作用的模板高效地合成了輪烷。自此，分子機(jī)器的設(shè)計合成擺脫了隨機(jī)概率，進(jìn)入人工可控階段。1994年，索瓦日合成了一例可以依靠電化學(xué)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)驅(qū)動的索烴------分子梭，分子器件進(jìn)入可以像機(jī)器一樣在能量驅(qū)動下“動”起來的新發(fā)展期。然而這一時期化學(xué)家們對如何控制分子機(jī)器的單向旋轉(zhuǎn)方面束手無策。直到1999年，荷蘭格羅寧根大學(xué)教授伯納德·費林加發(fā)明了基于可異構(gòu)化碳碳雙鍵的分子馬達(dá)，第一次實現(xiàn)了分子機(jī)器的單向轉(zhuǎn)動，推動了分子機(jī)器的研究進(jìn)入一個全新的發(fā)展階段。在此后至今近20年，費林加不斷改進(jìn)他的分子馬達(dá)并且嘗試將分子馬達(dá)與其他納米系統(tǒng)結(jié)合來發(fā)展轉(zhuǎn)動分子機(jī)器。例如2005年他通過光驅(qū)動分子馬達(dá)轉(zhuǎn)動推進(jìn)金納米粒子表面粒子運動，2006年他通過分子馬達(dá)的轉(zhuǎn)動帶動液晶膜的旋轉(zhuǎn)，而且可以定向轉(zhuǎn)動其上一支亞毫米級的玻璃棒，2011年，他用分子馬達(dá)構(gòu)筑了一輛“分子汽車”并通過外加電壓驅(qū)動汽車在平面上移動。瑞典皇家科學(xué)院在2016年10月5日宣布，將2016年諾貝爾化學(xué)獎授予讓-皮埃爾·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）、弗雷澤·斯托達(dá)特（Fraser Stoddart）和伯納德·費林加（Bernard Feringa）三位化學(xué)家以表彰他們在分子機(jī)器設(shè)計與合成領(lǐng)域所做出的杰出貢獻(xiàn)。

科學(xué)家已經(jīng)初步證明生物機(jī)器與人工合成的分子機(jī)器實質(zhì)上遵守著相同的法則。把多種不同的可切換型催化劑投放到同一個溶液體系中，利用它們各自的催化特點，使目標(biāo)分子按照一定的反應(yīng)順序生成更加復(fù)雜的最終產(chǎn)物，是人類模擬酶作用機(jī)制的終極目標(biāo)。

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