院士领衔！分子马达，最新Nature Chemistry

手性分子马达实现催化驱动单向旋转，方向可调

在追求模拟生命分子机器的道路上，科学家们长期致力于开发由化学燃料驱动的人工分子马达。这类自主运行的微小机器，如同细胞内的马达蛋白，需要具备高效的催化能力，并通过“信息棘轮”机制将化学能转化为定向运动。其中最关键的科学挑战之一，是如何在分子尺度上实现持续、可控的单向旋转。此前，这种方向性（各向异性）通常需要依靠手性燃料系统或酶来提供。然而，是否能够像天然马达蛋白那样，将手性结构内置于马达分子本身，从而直接驱动定向催化旋转，一直是一个待解难题。

近日，曼彻斯特大学David A. Leigh教授团队报告了一类新型旋转分子马达，其本身的手性结构足以驱动单向催化旋转。研究人员设计了一种氮杂吲哚-苯基乙酸衍生物作为马达分子，其单个手性中心足以在催化循环中产生具有不同自由能的非对映异构体中间体，从而在催化非手性碳二亚胺水解时，产生显著的旋转方向偏向。令人惊叹的是，通过添加不同构型的手性水解促进剂，不仅可以大幅增强马达的定向旋转，甚至可以完全逆转其旋转方向。相关论文以“Chiral catalysis-driven rotary molecular motors”为题，发表在Nature Chemistry上。

研究人员首先设计了具有手性中心的马达分子1，并用模型分子2进行深入研究。如图1所示，马达的旋转子（苯基部分）围绕定子（氮杂吲哚部分）旋转。在未成键的酸形式下，旋转子羰基的空间位阻阻碍其通过定子吡啶环，限制了360度旋转。然而，在形成酰基吡啶鎓键的中间态时，一个七元环的翻转使得旋转子能够进入在酸状态下无法触及的旋转弧，从而实现动态构象交换。整个化学机械循环展示了马达在四种状态（I, II, III, IV）间的转换，其中顺时针旋转路径（外圈箭头）在动力学上更占优势。

图1 | 手性氮杂吲哚-苯基乙酸旋转马达1和模型2的化学结构及化学机械催化循环。 a, 马达1和模型2（以(S)-对映体为例）酸形式的化学结构，以及确认阻转异构体相对立体化学的非对映异构体2-I和2-IV的X射线晶体结构。 b, 俯视示意图，展示苯基旋转子（紫色/粉色）围绕7-氮杂吲哚定子（黑色）的催化驱动旋转。在马达的未成键酸形式（I/IV）中，旋转子羰基经过定子吡啶基团的空间通道被阻塞（如IV中划掉的弯曲平衡箭头所示），而在成键的酰基吡啶鎓形式（II/III）中，环翻转允许进入这部分旋转弧。 c, 马达1和模型2的化学燃料驱动方向偏向旋转的化学机械循环，显示了马达运行中各步骤的速率常数。顺时针旋转的动力学优势耦合循环遵循网络外圈的路径（外圈箭头，I → II → III → IV → I）。在所有情况下，对于具有PhCH2侧链的马达1，逆时针旋转的循环（内圈箭头，I → IV → III → II）较慢（但对于具有CH3侧链的马达3，在(S)-5存在下则更快；图5b(2)）。仅涉及I和II（I ⇌ II）或仅涉及III和IV（III ⇌ IV）的循环是无用循环（即消耗燃料但不产生净方向变化的循环）。前向耦合循环与后向耦合循环的比值给出了动力学不对称性（Fc-H），对于这些滑移循环极少发生的马达分子，该值对应于马达的方向性。

为了证实方向性旋转，团队研究了模型马达2的行为。图2展示了在非手性燃料（DIC）和促进剂（DMAP）存在下，2的两种酸式非对映异构体（2-I与2-IV）的分布从平衡态的1:2，被驱动到一个非平衡的稳态比例1:30。当燃料耗尽后，比例又恢复至初始平衡态。这一可逆的、燃料驱动的分布变化，直接证明了催化驱动的定向旋转正在发生。

图2 | 模型马达2的平衡分布及燃料（非手性DIC和DMAP）驱动下的稳态分布。 a-e, 2-I（a）、2-IV（b）、2-I和2-IV的平衡混合物（c）、燃料驱动下2-I和2-IV的稳态比例（d）（[2] = 1.0 mM, [DIC] = 20 mM, [DMAP] = 15.0 mM, [MES缓冲液] = 100 mM, 在CD3CN/D2O 4:1 v/v中，pHobs = 5.21，室温），以及所有燃料耗尽后，在密封管中于CH3CN/H2O 4:1 v/v 100°C加热48小时重新获得的平衡混合物（e）。模型马达从2的平衡比例I:IV = 1:2被驱动到燃料稳态比例1:30（Fc-H = 15）。

进一步的动力学分析（图3）揭示了各状态随燃料消耗的动态变化。从纯2-I出发，随着燃料加入，状态I被消耗，中间态II和III先积累后减少，最终系统达到与从2-IV出发相同的稳态。实验数据与基于图1c循环的动力学模型高度吻合，验证了该机制。对于真实的全旋转马达1，模型预测并实验证实其旋转方向性比例为顺时针:逆时针 = 8:1，即平均每逆时针旋转一圈，会伴随约8圈顺时针旋转。

图3 | 马达2的燃料动力学数据及速率向马达1实验数据的推演。 a, (i) 原始样品2-I在催化驱动下转化为燃料稳态的过程。(ii) 部分1H NMR谱图显示燃料驱动下，I-IV、DIC和DIU浓度随时间的变化。质子d和e分别指来自苄基手性基团和氮杂吲哚定子的信号，如图2所标记。(iii) 数据（来自两次独立实验的单独数据点）拟合到由图1c中转换定义的动力学模型（实线），从而确定各速率常数的值（详见补充信息）。约6小时后，I-IV的分布达到稳态并保持基本不变，直至燃料耗尽（约126小时）。误差棒代表标准2%积分误差。 b, (i) 马达1的自主燃料驱动定向旋转。(ii) 马达1燃料消耗的实验测定速率（蓝色，来自两次独立实验的单独数据点）与使用从2获得的速率常数的动力学模型预测（蓝色实线）高度吻合。马达2-I（紫色）和2-IV（粉色）的燃料消耗速率以虚线显示，以说明实验测定的马达1燃料消耗速率仅与旋转催化一致，而非静态阻转异构体的催化。误差棒代表标准2%积分误差。

那么，方向性从何而来？图4利用Curtin-Hammett原理绘制了反应能量曲线进行阐释。研究表明，方向性主要源于化学步骤（成键与水解）过渡态能量的差异，而非传统光驱动马达所依赖的“动力冲程”的大小和方向。对于马达1，酰基吡啶鎓键的形成步骤（图4a）对顺时针旋转贡献了主要的方向性偏向。

图4 | 马达1化学机械循环的Curtin-Hammett原理反应能线图。 a, 成键形成的能量曲线显示，顺时针循环的过渡态显著（-5.5 kJ mol-1）低于逆时针运动的过渡态（ΔΔG‡TS，红色）。尽管未成键状态的（负）动力冲程（ΔGI↔IV，黑色）产生了不利贡献，但偏向源于成键形成的动力学偏好（I → II相比于IV → III，ΔΔG‡Ea，蓝色）。 b, 键水解的能量曲线显示，顺时针和逆时针循环的过渡态相似，意味着该步骤几乎无方向选择性地进行顺时针或逆时针反应（ΔΔG‡TS，红色）。动力冲程（ΔGII↔III，黑色）产生的顺时针旋转偏向几乎完全被较低的水解活化能（II → I相比于III → IV，ΔΔG‡Ea，蓝色）所抵消。相对能量极小值和极大值按比例表示。旋转角度基于状态I和IV的对应模型马达2的晶体结构，以及I-II和I-III的DFT最小化分子模型进行报告。黄线代表以顺时针方式进行的动力学优势定向旋转。

改变马达的结构会显著影响其性能。如图5a所示，将手性中心的苄基替换为甲基（马达3）会导致方向性几乎消失（Fc-H ≈ 1）；而替换为双三氟甲基苄基（马达4）则能将方向性大幅提升至30:1。更有趣的发现是，马达的旋转方向可以通过外部手性试剂进行“编程”。如图5b所示，当使用与马达3手性匹配的(R)-5作为水解促进剂时，顺时针方向性增强至约12:1；而使用手性不匹配的(S)-5时，旋转方向竟然发生反转，变为顺时针:逆时针 ≈ 1:2。这意味着，在不改变燃料和马达核心动力冲程的情况下，仅通过添加不同的催化剂，即可控制甚至反转分子马达的旋转方向。

图5 | 结构变化对马达方向性的影响。 a, 马达3和4及其相应的限制旋转模型，在先前用于操作1的条件下进行燃料驱动。动力学不对称性Fc-H（对应于马达方向性）通过相关模型的燃料稳态比例除以其母体马达（1、3或4）的平衡比例来确定。 b, (1) 基于手性N-氧化物(R)-5或(S)-5的水解促进剂结构，其催化成键的N-酰基吡啶鎓马达物种水解为开放的马达物种（II → I和III → IV）。(2) 马达手性与手性水解促进剂匹配/失配对马达方向性的影响。马达(+)-3及其对应的限制旋转模型，分别以DMAP、(R)-5或(S)-5作为水解促进剂进行燃料驱动。马达的方向性通过相关模型的燃料稳态比例除以其母体马达(+)-3的平衡比例来确定。

这项研究成功演示了一类由自身手性驱动的催化分子旋转马达。它将结构不对称性内置其中，通过催化非手性燃料反应实现持续的定向旋转。这项工作不仅阐明了对化学能通过催化转化为定向运动这一基础过程的理解，更展示了通过匹配或失配外部手性催化剂，可以动态调控甚至反转人工分子马达的旋转方向。这类似于在理论上能够通过添加催化剂来逆转马达蛋白的运动方向。该家族分子作为马达蛋白的动态有机催化类似物，生动诠释了化学与力学在一切催化驱动分子机器运作中的核心相互作用，为未来设计更智能、响应性更强的人工分子机器开辟了新道路。