David Leigh团队Nature“三连”——催化驱动的人工分子泵- 大数跨境

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2021-06-30

导读：英国皇家科学院院士David Leigh教授团队报道了一种自主化学燃料信息棘轮，在化学燃料的存在下，无需分步操作即可将冠醚大环从本体溶液连续泵送到分子轴上。

近日，英国皇家科学院院士David Leigh教授团队在分子机器领域再次取得重要突破。该小组报道了一种自主化学燃料信息棘轮，在化学燃料的存在下，无需分步操作即可将冠醚大环从本体溶液连续泵送到分子轴上。相关成果发表在Nature 杂志上，曼彻斯特大学为第一工作单位，华东师范大学为第二工作单位，这也是Leigh教授团队在过去一年内的第三篇Nature 文章（另外两篇文章解读：一条分子链，打出多种结；从“中国结”到二维分子织物）。『David Leigh教授华东师范大学团队常年招聘青年科学家、博士后及科研助理，详情点击这里』

催化驱动的人工分子泵示意图。图片来源：Stuart Jantzen / Leigh Group

所有生物分子泵都是自催化系统，只要存在未反应的化学燃料（通常是ATP或GTP），它们就会持续运行，并在所有燃料消耗完后停止。为了模拟生物分子泵的运转，化学家们设计合成出多种人工分子泵，但这些分子泵或是由光驱动或是需要重复顺次添加燃料又或是在每个循环期间改变电势才能运行。因此，构筑自主工作的非平衡分子泵是该领域中的重要研究方向。Leigh教授团队这篇工作中报道的人工分子泵利用冠醚在轴上的不同位置（穿入时促进其后面的屏障模块形成，并且在大环转移到集环区前，屏障的移除都会被大环抑制）具有的不同动力学行为，整合这两个过程使分子机器能够将大环从离散溶液中的最低能量状态连续泵送到轴上的较高能量状态，且一旦燃料全部消耗完，冠醚就会从不平衡的[4]轮烷上脱落，体系转变成最低能量的起始离散状态。该工作利用生物泵所使用的催化过程来驱动人工分子泵，为催化领域以及人工分子机器开辟了新的机遇和研究方向。

催化驱动的分子泵1的结构和操作模式如图1所示。轴的一端被一个大的三芳基次甲基基团（棕色）永久封闭；轴的另一端（N端）以苄胺基团（橙色）的形式开放用于大环穿轴。轴包括由短的丙基间隔基连接的三氮唑链。三氮唑与冠醚的相互作用微弱，因此从本体溶液通过轴的开口端转移到链上的冠醚比例在平衡状态下微乎其微。泵送机制基于最近发现的无金属活化模板轮烷形成反应，其中伯胺通过冠醚空腔加速进攻亲电试剂。泵1与燃料2（Fmoc-OC₆H₄NO₂）和冠醚3（24-冠-8）反应形成car-4。新形成的Fmoc-氨基甲酸酯基团（绿色）可防止环从轴N端滑落。与苄胺基团相邻的是CF₃基团（红色），其大小足以显著减缓24-冠-8的通过。与car-4中空间拥挤的苄基氨基甲酸酯相比，轴上的三氮唑基团与冠醚结合更强，为穿在轴上的环提供了“捕获区域”。因此随着时间的推移，car-4中的冠醚慢慢地越过三氟甲基到达集环区，形成tri-4。轮烷tri-4的能量低于car-4，但仍高于初始状态的能量。二异丙胺的存在是完成泵送循环所必需的，能够脱保护暴露出分子机器的N端，用于进一步的泵循环。通过这种方式，环从本体溶液中被捕获限制在轴的局部区域内，并通过化学燃料的连续、自主消耗保持在不平衡状态。

图1. 催化驱动的人工分子泵的结构和操作。图片来源：Nature

由于CF₃的“减速带”效应，轮烷的N段脱保护后在环滑落之前都会经历一次活化模板轮烷形成反应，将第二个（以及随后的第三个）环泵送到轴上。只要链上有足够的空间并且存在未反应的燃料，分子机器就会继续将环泵送到轴上。人工分子泵以三种不同的方式进行：（i）逐步，在单独的步骤中添加燃料和碱，这有助于轮烷的分离；（ii）自主，在起始时刻将所有燃料添加到环、泵和碱体系中；（iii）连续添加燃料，最大限度地减少碱对燃料的背景分解反应。研究人员通过逐步操作1来确认泵送机制。去除Fmoc屏障模块，在碱性条件下将1、2和3混合在甲苯中执行单个泵送循环（图1），10分钟后以61%的产率生成[2]轮烷4，同时以10%的产率生成Fmoc衍生的单一轴。这表明>80%的燃料2与1反应形成轮烷，泵送是动力学门控的（即穿环加速了Fmoc-氨基甲酸酯轴的形成）。

如图2所示，研究人员通过核磁共振氢谱中特征质子信号的变化确认了各轮烷化合物的形成，并通过信号积分得出了的car-4/tri-4比率为3/7（295 K，C₆D₅CD₃）。

图2. [n]轮烷共构体中的大环分布情况。图片来源：Nature

为了完成泵循环，需要从4的N端脱除Fmoc基团重新生成伯胺以进行下一个穿环任务。大环在轴上的位置会影响Fmoc的去除速率（图3a）。在泵1的运行过程中，大环的空间位阻效应能够抑制i-Pr₂NH脱除Fmoc基团。这意味着废物去除步骤（Fmoc-氨基甲酸酯到废物产物的反应）也在1的泵送机制中被动力学门控。

使用强碱DBU可以在30 s内脱除4的Fmoc基团，并且在C₆D₅CD₃中观测到伪轮烷1•3的半衰期为230分钟（图3b），其决速步骤是大环越过CF₃基团从集环区到N端。由于从1•3脱环比完成活性模板穿环反应所需的10分钟要慢得多，因此在过量燃料存在的情况下，1•3通过连续泵送过程首先合成[3]轮烷10然后合成[4]轮烷7。

综合考虑，这些实验结果可以深入了解泵做功冲程的作用和影响。¹H NMR 光谱（图2c）表明，尽管大环在集环区的能量低于[2]轮烷中的氨基甲酸酯区（car-4:tri-4 3:7; 295 K, C₆D₅CD₃ )，当第二个环位于氨基甲酸酯基团上而不是在集环区时，[3]轮烷实际上在热力学上更稳定（car-tri-10:tri-tri-10 7:3; 295 K, C₆D₅CD₃）。考虑空间效应，[4]轮烷只能通过1•(3)₂的tri-tri-共构体去实现穿环反应。因此，将[3]轮烷10泵送到[4]轮烷7可视为通过如下途径进行：从（i）car-tri-10（[3]轮烷的最低能量状态）到（ii）tri-tri-10（泵末端快速脱保护的状态）到（iii）1•(3)₂（开口处可发生主动模板穿环反应，而“减速带”抑制已捕获环的脱落）到（iv）car-tri-tri-7（[4]轮烷）；这个程序过程实际上涉及一个能量上升的共构象变化（car-tri-10到tri-tri-10），这个变化与形成[2]和[3]轮烷的做功冲程相似，是一个必要、具有能量作用的过程。

图3. Fmoc脱除、伪轮烷脱环和不可逆轮烷形成实验。图片来源：Nature

如果从一开始就添加过量燃料和i-Pr₂NH，泵也可以运行，进行多个燃料循环自主发生以生成[n]轮烷，直到消耗完所有燃料。然而，在i-Pr₂NH存在的情况下，燃料2与轴具有相似的分解速率，所以在起始时间很难有足够的燃料参与生成[4]轮烷。因此，将燃料连续滴入体系，操作才更有效。向分子泵1中添加10当量24-冠-8、15当量i-Pr₂NH 和每小时0.7当量燃料2反应16小时后，生成了[4]轮烷7，以及[2]轮烷4和[3]轮烷10（图4b）。在这些条件下，穿环产物也会以消散方式形成：在停止添加燃料2后，Fmoc-氨基甲酸酯的分解又持续了19天，导致大环3被缓慢释放回溶液中，最终能回收得到几乎原始量的轴1和大环3。

图4. 泵1运行产生的不平衡状态。图片来源：Nature

小结

David Leigh教授团队报道的这种人工分子泵使用双动力学门控催化驱动信息棘轮机制，该机制在设计上极为简洁，更重要的是从根本上模拟了生物分子泵，正是催化作用下的穿环行为中的动力学不对称驱使泵朝着远离平衡的方向做功。这种人工分子泵的机制是普适的，不限于特定的底物、官能团或催化剂。研究人员预想催化作用将在人工分子机器的设计中发挥越来越重要的作用，从而帮助理解与它们对应的生物分子体系。

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