【精编】构建小的艺术——从分子开关到分子马达
纳米机器——分子马达的研究现状及前景
1 序言近些年,随着光钳技术、分子遗传学方法、X射线晶体结构分析以及显微成像等实验方法应用于分子生物学领域,人们对于分子马达的结构及动力学行为的认识有了长足的进展,也使直接研究和操纵单个分子马达成为可能。
实验中观测到的分子马达一般在几万到几十万道尔顿,因此分子马达通常被看作布朗粒子,也被称作纳米粒子。
在纳米技术的萌芽阶段,科学家已经制造了很多微型器件,但是要实现纳米机器的设想,动力系统是个关键部分,否则工艺再精确,人们也不可能制作出纳米数量级的机械动力系统,因此人们寄希望于分子马达为纳米器件提供动力,如果这个设想可以实现的话,那么分子马达就可以为纳米器件提供能量来源。
2 分子马达的研究现状及前景日本一研究小组利用分子马达开发出一种新技术,可以将微小颗粒经由生物芯片上的微细通道运送到指定地点,这一技术又称为“分子快递”技术。
日本东京大学生产技术研究所藤田博之教授等组成的研究小组研制开发了这一技术。
研究人员在生物芯片上设置宽0.5mm、长30mm的通道,并在里面铺设好微管“铁轨”。
将用荧光物质标记的直径为0.32μm的微粒附着到驱动蛋白上后放入通道,研究人员观察到微粒以每秒1微米的速度沿“铁轨”运动。
利用“分子快递”技术,可以将微小颗粒高效精确地搬运到目的地。
这种“分子快递”技术将来可促进特定蛋白质和其他化学物质在芯片上发生高效反应。
宾夕法尼亚大学医学院肌肉研究所Yale Goldman博士的实验室和Erika Holzbaur 实验室的研究人员发表了一组论文,这些论文综合起来证实了一种充当分子马达的蛋白质惊人地灵巧,并能在细胞内轻巧地越过障碍物。
利用一种能够一次观察一个大分子的活动的特殊显微镜,研究组发现一种蛋白质马达能够沿着微管来回移动,而不是像之前推测的那样朝一个方向运动。
这两种运动蛋白dynein和dynactin是细胞的长途货车,它们能够合作从细胞外围将分子货物运送到细胞核。
Holzbaur实验室发文章说他们发现dynactin的一种突变能导致运动神经元的降解——运动神经元疾病的标志。
分子机器的发展历史
分子机器的发展历史作者：朱达来源：《神州·上旬刊》2018年第06期摘要：科学的发展往往遵循着理解自然、模拟自然、超越自然的规律。
对于分子机器这一领域的研究同样如此，生物学家们研究自然界中生物体系的运行发现了生物大分子机器发挥的巨大作用及其运转的基本原理。
在此研究基础上，化学家们希望通过化学的方法，人工合成制造出同样性能优异的小分子机器来模拟生物大分子机器，最终希望能有超越自然的分子机器被发明出来造福人类。
关键词：分子机器；发展史那么人工合成小分子机器的研究是怎样开始的呢？首先源于一个设想。
1959年，理查德·费曼（Richard P.Feymann，1918～1988，1965年诺贝尔物理学奖得主）在美国物理协会上做了题为《在底部还有很大空间》的演讲，展望了极小尺度操作和控制物体的相关问题和其特殊的科学意义。
也就是在这篇报告中提出了“分子机器”的概念和设想。
然而分子机器是什么样子的，应该如何制造这样的机器，费曼并未能够回答这些问题。
不过有了这样的猜想，已经足以引起化学家们强烈的兴趣和探索欲望，通过此后半个多世纪的研究和发展，分子机器神秘的面纱终究被一点点揭开。
美国西北大学的教授弗雷泽·斯托达特（Fraser Stoddart）给分子机器的定义是：在合适的外界刺激下能够执行像机器一样的运动的分子组装体。
作为一种超分子体系，分子机器各组分之间相互作用都较弱，即使有合适的外界刺激，也很难形成有效的运动轨道，即很难形成分子内的相对运动，也就无法实现机器的功能。
解决这一矛盾主要得益于基于机械键的互锁分子组装体的出现，这些组装体也就是我们通常所说的索烃和轮烷。
1953年沃森和克里克用模型搭出了DNA的双螺旋结构，同年机械互锁分子的概念被提出。
20世纪60年代这些分子终于被合成分离出来，但是普遍面临合成难度大、产率低的困境。
直到1983年，法国路易斯巴斯特大学教授让-皮埃尔·索瓦日（Jean-Pierre Sauvage）领导的研究小组用金属模板法高效地合成了索烃，此后分子机器的发展进入了崭新的篇章。
妙趣横生的分子艺术
妙趣横生的分子艺术(科普.配图.原创）化学是一门研究物质结构、组成、变化、性质的学科。
一谈到化学家，人们立刻就会联想到“身穿白大褂、满脑子化学分子式、左手持烧杯、右手拿试管”的形象。
科学是严肃的，但也充满着乐趣。
不管你信不信，一些科学家的确有着非凡的幽默感，本文就证明了这一点。
下面，我们将会向您展示一些稀奇古怪的化学分子，让您真正领略一下分子艺术的魅力。
人形分子说起人形分子，我们必须要提到一个人，那就是美国RICE大学的化学家Tour教授。
Tour教授的主要研究方向是有机化学，但2003年发表于《J. Org. Chem.》杂志23期上的一篇名为“Synthesis of Anthropomorphic Molecules”（“人形分子的合成”）的文章却使得他名声大噪。
在该文中，出现了几对手舞足蹈、跳着拉丁舞的“男女”分子表达式。
该分子式形象之生动，构思之巧妙，压倒了论文内容的本身，让人拍案叫绝，成为整篇文章的最大亮点。
事实上，Tour教授发表的人形分子属于一类被称作“纳米莆田”的化学分子。
这类分子的最大特征就是分子结构看起来酷似人的形象，这不禁会使人们联想到格列佛游记中描写的小人国居民。
纳米莆田分子是一大类人形分子，但它们的基本形式却是一种被称为“纳米孩童”的分子构型。
将“纳米孩童”分子溶于醇溶液中加热，化学反应后常常还会得到其他不同形式的人形分子，如“纳米运动员”、“纳米王后”、“纳米博士”、“纳米面包师”等。
除了纳米莆田分子以外，通过丰富的想象力，近来，酷似释迦牟尼佛像、酷似嬉皮士形态的分子也被化学家相继报道。
“分子动物园”在创造宏观世界上人和动物的同时，细心的上帝似乎也没有忘记微观世界。
随着人类对物质分子结构认识的不断深入，上帝创造的构型酷似动物等分子不断被有心的化学家相继发现，它们有的像海马，有的像青蛙，有的像章鱼，有的像企鹅……若将这些“动物”集中罗列出来，已经足以构建一个物种类繁多的“分子动物园”。
2016年诺贝尔化学奖——分子机器的发展简史及研究进展
定义： 分子机器是由—定数量 的分子组装而成 的。
能够在 外界适 当的刺激下 （ 输入 ） ， 做出类似机 械 随着分 子生物学 的 日 益 发展 ， 人 们发现 在众 运动 （ 输出） 的分 子组装体。 分 子机器通常需要能 多生命 体系的微 观尺度下， 存 在着很 多渺小 的但 量来驱动 ， 因而需要适当的能量供给。 比较经典的 功能独特的生物机器， 它们或能吸收、 转化并 储存 分 子机器和机 器 部件有分 子缠 结、 分 子开关、 分 外界能量 ， 或 能消耗 储存 的能量来完成 各种复杂 子电梯 、 分 子肌 肉、 分子剪刀、 分子马达 、 分 子泵 、 的生命功能。 比如 ， 叶绿体整体作为一个 光合作用 分子汽车等 （ 图１ ） ｆ 】 。
通过另一步反应移除电子并恢复正电荷，区域１ 的排斥力推动环
苎 驱 墨 动 分 子 环 固 定 在 区 。 域 兰 １ 兰 的 意 位 置 电 子 之 间 的 作 用 力 穿 过 屏 障 分 子 ｒ 而 遮 一 过 程 只 能 单 方 向 进 行
图 １ 经 典 分 子机 器 及其 运 作 概 念 图 １
能的多肽， 细胞膜 上 的载体蛋 白能够完 成逆 浓度 轮、 发动机等等。 因此 ， 设计并通过有机合成来制
梯度 的主动运输。 大自 然造物主向人们展示着一个 备具有精巧结构并能够产生相互作用的分子组件，
化 学教 学 ２ ０ １ ６年 第 １ ２期
专 论
通过化学反应．为分子环增加２ 个电子．
“ 工厂” ， 内部存 在着许 多功能各异的生物机器， 在 构筑一 个 复杂 的分 子机器 的过程 中， 科学
在它们 的配合下， 叶绿体 完成 光合作用 的各道 工 家们 往往需 要利用多种多样 的分子 组件， 进而构 序， 实现光能 向化学能的转变 。 又如核糖体能够翻 筑具 有一定 功能 的组装 体。 就好 比我们要制造一 译Ｒ Ｎ Ａ中存储 的信息将其 “ 翻译 ” 成具 有多种功 辆 汽 车， 需要 各种各样 的零 件， 如轴承 、 齿轮 、 车
世界上最小的马达
世界上最小的马达-分子马达分子马达molecularmotor，是美国康奈尔大学研究人员在活细胞内的能源机制启发下，制造出的一种马达。
这种微型马达以三磷酸腺苷酶为基础，依靠为细胞内化学反应提供能量的高能分子三磷酸腺苷ATP为能源。
分子马达即分子机械或纳米马达molecular motornano-mot-motor,NMM,是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。
研究人员把金属镍制成的螺旋桨嫁接到三磷酸腺苷酶分子中轴上。
当它们被浸于ATP溶液后，其中5个分子马达转动了起来，转速达到每秒钟8转。
据介绍，这种马达只有在显微镜下才能被观察到，其镍螺旋桨长750纳米一纳米为十亿分之一米。
根据拍摄到的画面，研究人员可以看到一个尘埃粒子先被旋转的螺旋桨吸入、再被甩出的情景。
分子马达，又名分子发动机，是分布于细胞内部或细胞表面的一类蛋白质，它们的构象会随着与ATP和 ADP的交替结合而改变，ATP 水解的能量转化为机械能，引起马达形变，或者是它和与其结合的分子产生移动。
就是说，分子马达本质上是一类 ATP酶。
例如肌肉中的肌球蛋白会拉动粗肌丝向中板移动，引起肌肉收缩。
而另外两种分子马达：驱动蛋白和动力蛋白，它们能够承载着分子“货物”-------------如：质膜微粒，甚至是线粒体和溶酶体，在由微管构成的轨道上滑行，起到运输的作用。
肌球蛋白是微丝结合蛋白，最早发现于肌肉组织，1970年后逐渐发现许多非肌细胞的肌球蛋白。
其家族有13个成员，每个成员在结构上都分为头，颈和尾部三个部分，形似豆芽，而组成上则有轻重两种链。
其中的调节轻链是肌球蛋白接受调解的位点，就是说，调节轻链的磷酸化/去磷酸化状态影响着肌球蛋白的活性。
其中Ⅰ和Ⅱ型是研究得最彻底的分子马达。
一些细胞具有突变的肌球蛋白，它们能正常伸出伪足，但是却不能成功移动。
Ⅰ型和Ⅴ型则是二聚体。
趋向微丝的正极运动。
蛋白的头部能就尾部作屈伸运动，并在“屈”的时候拉动微丝相对向后运动。
分子机器的设计与构建研究
分子机器的设计与构建研究分子机器是由分子组成的机器，能够自主进行特定的化学反应或运动。
这种奇妙的机器一经问世，就引起了人们极大的兴趣和好奇。
分子机器的设计与构建，是化学、物理、生物学等多学科交叉的研究领域，具有广泛的应用前景。
本文将就分子机器的定义、分类、发展现状和未来发展方向等方面，进行阐述和探讨。
一、分子机器的定义和分类1. 定义：分子机器是由一些可编程的、组装成结构的分子构成的机器。
2. 分类：根据其应用领域和性质，分子机器可以分为运动机器、光驱动机器、化学反应机器等。
这些机器是通过化学修饰、自组装等手段，将大量分子组装成为所需的结构，在一定程度上实现了类似于传统机械设备的功能。
二、分子机器的构建方法1. 自组装技术：这是构建分子机器的主要方法。
如通过聚集反应，将分子自组装成为所需的结构，从而实现分子的功能。
自组装技术有助于控制分子的排列方式、几何形态和功能的表现。
2. 软拼接技术：通过将包含金属离子或有机小分子的配体修饰到分子上，再与配位反应下的金属离子或有机小分子等分子进行“点击”反应，实现分子组装成为所需的结构。
3. 化学修饰技术：可利用化学修饰技术改变分子的某些属性，从而实现对分子的控制。
例如改变分子的空间结构、亲电性、溶解度等。
三、分子机器的研究现状分子机器的研究起源于20世纪80年代，迄今已持续几十年。
研究领域覆盖化学、物理学、生物学等多个学科领域。
在国际上，相关研究机构和实验室不断涌现。
以日本为例，其相关研究机构包括 Institute of Nanotechnology、Institute of Molecular Science 等，该国某些著名高校如东京大学、京都大学等也设置了相关研究机构。
此外，国际学术界也不断涌现有关分子机器设计与构建的高水平论文，为分子机器的应用和发展提供了坚实的理论基础和实验支撑。
在国内，自20世纪90年代起，相关领域得到了不断的发展与壮大。
国内涉及分子机器研究的高校和研究机构有清华大学、中科院化学所、南京大学生物学院等。
世界最小，一个分子大小的电动马达，你见过吗？
世界最小，一个分子大小的电动马达，你见过吗？
一个正丁基甲基硫醚分子放在一个干净的铜质平台表面，此时其结构中的单个硫原子充当了转动轴的角色
这一电动马达仅由一个单分子构建，其直径约为1nm，即1米的十亿分之一。
这种微型马达将在纳米技术和医学研究中有广阔的应用前景，极大地提升效率。
人们之前制成过微型马达，它们可以使用光照或化学反应进行驱动。
你能想象吗？在你的烧杯里，每一次都有超过十亿台微型马达在同时工作。
电动马达的好处在于我们终于可以单独观察单个微型马达被驱动工作的情形，了解它的实时表现。
科学家们将一个正丁基甲基硫醚分子放在一个干净的铜质平台表面，此时其结构中的单个硫原子充当了转动轴的角色。
随后研究人员使用扫描隧道显微镜前端宽度仅相当于单个原子的尖端向这个极微型马达注入电流，并拍摄这个“分子机器”转动时的图像。
它会向任意一个方向转动，最高转速可以达到每秒120转。
但是从长时间的平均统计数值来看，马达会趋向于向某一个特定方向旋转。
通过轻微地改变这一分子，它便可以被用来产生微波辐射，或者集成入所谓纳米电机系统。
接下来的事应当是让这种小机器来从事一些我们能够测量的工作，将它与其它同类机器组装起来，一个个首尾连接，就像齿轮一般。
这样我们便能观察它们相互传动的情况。
除了借此制造人类有史以来最微型的机器之外，这一技术还能被用在医学方面，例如将体内的特定位置给药。
如果这项技术成熟，用在未来的机器人身上，会产生什么样有意思的事情呢？。
分子机器：世界上最小的机器
【2016年诺贝尔化学奖解读】分子机器：世界上最小的机器湖北省石首市文峰中学刘涛434400瑞典皇家科学院2016年10月5日宣布：2016年诺贝尔化学奖由法国让-皮埃尔·索维奇、美国詹姆斯·弗雷泽·斯托达特爵士和荷兰伯纳德·L·费林加共同分享，因他们在“发明了行动可控、在给予能源后可执行任务的分子机器”方面所做出的卓越贡献。
（索维奇）（斯托达特）（费林加）半个多世纪以来，科学家就梦想将机器缩小到纳米尺度。
“分子机器”是指在分子层面的微观尺度上设计开发出来的机器，在向其提供能量时可移动执行特定任务。
1983年，索维奇迈出了通往分子机器的第一步，他和团队借助普通的铜离子，成功将两个环状分子连成特殊的链状即双环化合物，并将其命名为“索烃”，这是非生物分子机器的最初雏形。
通常，分子是由原子间通过共享电子对构成的共价键形成的，而在索烃中，分子间形成了更加自由的机械结合，这样就可以像机器一样拥有可以彼此相对运动移动执行任务的部件。
1991年，分子艺术家斯托达特发明了大环分子“轮烷”，将一个分子环穿到一个哑铃状的线性分子轴上，并且发现环能够沿着轴移动，形成的内锁型超分子体系，这是第一个分子级的短程穿梭装置。
1994年，已能做到对分子环运动状态的完全控制，从而打破化学体系中原先占据主导的随机性。
其研究团队从1994年开始利用各种轮烷开发出了一个分子电梯，一种分子的肌肉和基于分子的计算机芯片。
1999年，费林加合成了第一台分子发动机，利用一些巧妙的技巧，只要提供合适的光能和热能，就能持续朝一个方向持续转动，用它转动了比它大一万倍的玻璃量筒，该研究小组已对分子机器进行了优化，现在的旋转速度可达到1200万转/秒。
2011年，还利用类似的分子发动机制造出一款四轮驱动的纳米小车，这样将分子由稳态变为能够运动的状态，并初步实现控制。
这三位分子建造师接力设计并合成仅有头发丝的千分之一大小的全世界最小机器，开创了利用超分子自组装的领域，将分子体系带出了平衡的僵局，带进了充满能量的状态，在这个状态中分子的运动可以被控制。