分子納米技術(shù)是一個(gè)快速發(fā)展的領(lǐng)域,幾十年來一直致力于探索在宏觀規(guī)模上發(fā)現(xiàn)小型化技術(shù)的可能性。納米技術(shù)已取得巨大進(jìn)展的一個(gè)領(lǐng)域是開發(fā)分子機(jī)器(molecular machines):一種受到外部刺激驅(qū)動(dòng)定向運(yùn)動(dòng)的組件。使用分子機(jī)器,可以實(shí)現(xiàn)許多功能,例如運(yùn)輸化學(xué)品、宏觀運(yùn)動(dòng)和催化。盡管分子機(jī)器實(shí)際上仍處于概念驗(yàn)證階段,但是分子機(jī)器可以催化一系列過程,包括聚合和不對(duì)稱合成。

盡管分子納米技術(shù)領(lǐng)域在1990年代開始取得實(shí)驗(yàn)性進(jìn)展,但基本概念是由Richard Feynman提出的。后來,由于Eric Drexler將分子組裝體(assembler)的概念引入了納米技術(shù),納米技術(shù)才得以普及。組裝體是一種能夠以原子精度定位反應(yīng)性分子來引導(dǎo)化學(xué)反應(yīng)的設(shè)備。

Drexler設(shè)想:為了生產(chǎn)大量產(chǎn)品,分子組裝體應(yīng)該能夠自我復(fù)制。形成足夠數(shù)量的組裝體后,可以對(duì)其進(jìn)行重新編程以生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。

此外,在核糖體將mRNA從蛋白質(zhì)翻譯為蛋白質(zhì)的過程中,人們發(fā)現(xiàn)了自然界對(duì)分子組裝體的解釋。盡管僅限于多肽,但是這種分子組裝模型可用于高精度產(chǎn)生任何所需的氨基酸序列。

基于以上背景,來自英國牛津大學(xué)化學(xué)系的Stephen P. Fletcher教授課題組發(fā)現(xiàn)了一種能產(chǎn)生聚合物的分子組裝體。該分子組裝體是通過兩種相分離的反應(yīng)物的反應(yīng)來產(chǎn)生雙功能表面活性劑的超分子聚集體。最初僅僅是雙功能表面活性劑的自我復(fù)制,但是一旦達(dá)到臨界濃度,組裝體就會(huì)開始生產(chǎn)聚合物而不是超分子聚集體。聚合物的大小可通過調(diào)節(jié)溫度、反應(yīng)時(shí)間或引入封端劑來控制。相關(guān)成果以“A molecular assembler that produces polymers”為題,發(fā)表在《Nature Communication》上。

1.?分子自組裝體的生命周期

 

《Nature》子刊:擁有生命的分子組裝體!可以生產(chǎn)聚合物
圖1分子組裝器的生命周期

 

圖1 (a)描述了分子組裝體可能的生命周期(Lifespan of the assembler)中三個(gè)階段的示意圖。最初,需要組裝者自我復(fù)制以產(chǎn)生大量的分子組裝體。接下來,在重新編程后,組裝體開始生產(chǎn)所需的產(chǎn)品。當(dāng)組裝體完成其功能,并且系統(tǒng)中的燃料或原材料耗盡時(shí),組裝體將被銷毀以生產(chǎn)更多產(chǎn)品。

2.?分子組裝體產(chǎn)生聚合物的過程

 

《Nature》子刊:擁有生命的分子組裝體!可以生產(chǎn)聚合物
圖2 分子組裝構(gòu)件濃度的隨時(shí)間變化

 

圖1?b和圖2?b描述了系統(tǒng)中分子組裝的三個(gè)階段。

階段一:組裝劑的形成(Formation of the assembler):相分離的二硫鍵1和硫醇2之間的反應(yīng)導(dǎo)致形成兩親化合物3,該化合物自組裝為超分子膠束(圖2, A)。這些膠束有助于將非極性硫醇增溶到水層中,從而增加兩親物的形成速率,該過程稱為物理自催化。

階段二:功能分子組裝體(Functional molecular assembler):膠束不斷溶解非極性硫醇,從而產(chǎn)生更多的兩親物。然后,該兩親在第二反應(yīng)中與其他當(dāng)量的硫醇一起消耗,導(dǎo)致聚二硫鍵的形成。組裝體以相同的速度生產(chǎn)和消耗其結(jié)構(gòu)單元,導(dǎo)致兩親物濃度恒定(圖2, B)。

階段三:組裝劑的自毀(Self-destruction of the assembler):當(dāng)起始二硫醇耗盡時(shí),將不再形成兩親物。組裝器使用剩余的兩親物繼續(xù)聚合過程,從而消耗了自己的結(jié)構(gòu)單元,直到完全消失為止,導(dǎo)致濃度(圖2, C)降低。在此期間,聚合物繼續(xù)增長。由(兩性)兩親性化合物3組成的分子組裝體的iSCAT圖像顯示出球形顆粒。

結(jié)論

總之,研究者發(fā)現(xiàn)了一種自發(fā)生產(chǎn)的分子組裝體,能夠生產(chǎn)二硫鍵聚合物。在整個(gè)過程中,組裝體在其自封裝空間使聚合過程中的反應(yīng)物接觸。盡管反應(yīng)物并沒有以原子精確度放置在一起,但其中一種反應(yīng)物的自組裝所產(chǎn)生的封閉空間卻大大增加了它們之間的接觸,這有效地克服了擴(kuò)散和布朗運(yùn)動(dòng)。因此,這項(xiàng)工作為功能性超分子系統(tǒng)的開發(fā)提供了替代方向。

 

文章鏈接:

https://doi.org/10.1038/s41467-020-17814-0

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