1936年，为了模拟人的运算过程，计算科学之父艾伦•图灵提出了一种将人的计算行为抽象化的数学逻辑机，日后发展为计算机领域重要的“图灵机”（Turing machine）的概念。该机器包括两个重要组成部分：（1）一条无限长的条带（Tape），从左到右被依次划分为储存信息的小格子；（2）一个读写头（Head），可在条带上根据指令左右移动并读出其对应小格子上的信息，同时也可根据需要改变该信息。该机器的每部分都是有限的，但有一条潜在的无限长的条带，因此这种机器可以看作是一个理想中的设备。图灵机的理论模型已成为计算学科最核心的理论之一，如今所有的通用计算机都可看成是图灵机的一种实现。
以此为灵感，英国皇家科学院院士、曼彻斯特大学Sir Samuel Hall讲席教授、上海华东师范大学特聘教授David Leigh领导的研究团队近日报道了一种可在条带分子上进行有序信息读取的人工合成分子机器。作者以轮烷分子棘轮（molecular ratchet）为研究对象，将其长链轨道分子视为条带（Tape），其从左至右嵌合了不同的“点手性”信息；相应的大环分子通过功能化，以实现手性信息读取器（Reading head）的功能。通过化学燃料驱动，大环分子可以从溶液中的离散体系“泵”入到条带分子上，通过与手性中心的超分子识别，将其手性信息传递与放大，并通过圆二色谱的形式读取出来，经过处理生成直观的数据信息（-1 或 0 或 +1）。
图1. 化学燃料驱动的手性信息读取分子棘轮。图片来源：Nature
在这项工作中，信息读取器分子为一个四联苯功能化的冠醚大环分子3；条带分子为1和2，其包含两个重要的组成部分：（1）三个既可存储信息又可与冠醚进行特异性结合的位点，即具有R/S手性信息的N-苄基-α-甲基苄基胺（BMBA）和无手性信息的甲基三氮唑（MT），其中BMBA经过酸质子化形成N-苄基-α-甲基苄基铵（BMBA•H+），其对冠醚分子的结合能力为BMBA•H+ > MT > BMBA；（2）交叉排列的具有腙或二硫键的“障碍”分子，它们将信息存储位点隔室化并可通过酸碱振荡来进行正交开合。当冠醚分子与不对称的BMBA•H+或MT发生主客体相互作用时，其联苯基团会发生构象改变以达到最稳定的热力学平衡态，此时大环的几何构象的变化（顺时针、逆时针或不扭曲）会产生特异性的旋光。为了更直观的表示大环分子读取出的信息，作者定义了冠醚分子与相应位点结合时所表现出的特异性圆二色谱信号为-1、+1和0，即与S立体手性相结合时为-1，与R手性相结合时为+1，而与无手性的位点相结合时为0。这样，整个条带上的所储存的信息可被大环分子以旋光信号的形式输出为一系列的数据串（-1, 0, +1）。
作者首先通过分步加入酸碱的方式来进行了条带1和2的操作。以条带分子1为例，在初始状态下，冠醚分子与条带分子分离，大环分子为无扭曲状态，在圆二色谱中无明显信号。加入三氟乙酸和酰肼4后，冠醚分子会与条带上第一个具有S手性的铵位点结合，而酰肼则与分子带左侧的醛基反应形成腙，从而得到稳定[2]轮烷（State I，(S)-BMBA1-7•2H+），其在282nm波长处呈现较大的负Cotton效应，255 nm波长处呈现正Cotton效应，此时信息被读为-1。随后，三乙胺、硫醇5和二硫化物6的加入使得大环脱离第一部分的结合位点，穿过二硫基团屏障，与分子带的第二部分三氮唑盐结合（State II, MT-7），但三氮唑盐附近并没有手性基团，该部分的信息被读为0。在此之后，随着三氟乙酸和酰肼4的加入，分子带上二硫键会被锁定，分子带右侧的BMBA基团被酸化为铵盐并与大环结合（State III, (R)-BMBA1-7•2H+），分子的Cotton效应改变为与第一部分几乎相反的旋光信号，被读为+1。因此，条带1上的序列信息为-1, 0, +1。作者还设计了顺序嵌合了(S)-BMBA、MT、(S)-BMBA等位点的条带2分子，通过相同分步操作，条带2的信息以-1, 0, -1的形式输出出来。上述分子机器的所有状态均经过核磁氢谱、质谱和圆二色谱表征确定。
图2. 分步操作分子棘轮1和2的圆二色谱. (a)(b)原始数据；(c)(d)标准化数据。图片来源：Nature
此外，作者还研究了以脉冲化学燃料（三氯乙酸）驱动分子棘轮自动地读取信息。他们发现，将过量的化学燃料三氯乙酸加入到条带1、大环3、屏障分子4、5、6以及三乙胺的混合溶液中，酸性燃料会质子化分子带上的BMBA基团，使得大环从溶液中（State 0）泵入到分子带上（State I），信息被读为-1。一段时间后，随着酸性的三氯乙酸降解生成氯仿和二氧化碳，溶液则会呈现碱性，此时溶液的CD谱图与MT-7类似，信息被读为0。加入第二份化学燃料后，CD谱图发生变化，得到刚好与State I相反的Cotton信号，信息被读为+1。第二份燃料经过两天的降解被消耗完，溶液回到碱性，此时大环从分子带上完全脱落，回到体系的初始状态State 0。
图3. 脉冲化学燃料驱动的分子棘轮1的圆二色谱。图片来源：Nature
图4. 酸碱驱动的分子有限自动机。
综上，本文报道了一种特定状态的分子图灵机，即一种“有限状态自动机”的分子机器，它可通过信息读取头的定向移动将条带上的编码信息进行顺序读取。该项研究为最终利用合成分子机器进行信息编码和连续读写开辟了新的思路，也是迈向合成图灵机的重要一步。可以预见的是，分子图灵机的发展将对分子机器、分子计算以及纳米科技等领域都有着重要意义。相关成果发表在Nature 上，论文第一作者为任岩松博士，通讯作者为David Leigh教授。
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面）：
A tape-reading molecular ratchet
Yansong Ren, Romain Jamagne, Daniel J. Tetlow & David A. Leigh
Nature, 2022, DOI: 10.1038/s41586-022-05305-9
免责声明：本文旨在传递更多科研资讯及分享，所有其他媒、网来源均注明出处，如涉及版权问题，请作者第一时间后台联系，我们将协调进行处理，所有来稿文责自负，两江仅作分享平台。转载请注明出处，如原创内容转载需授权，请联系下方微信号。
