大牛David A. Leigh又一力作，全新化学驱动的信息棘齿

生物分子马达会在未反应的化学燃料例如ATP或GTP等未耗尽时连续运转，一旦化学燃料耗尽，这些分子机器便会停止运行。目前为止，人们仅开发了一种类型的可以利用化学燃料连续运行的小分子机器：一种在Fmoc-Cl的作用下可以连续定向运转的索烃以及相应的轮烷系统。在这一系统中，分子机器在不同的构象时可以与化学燃料和废料有不同的相互作用，从而导致不同的构象的动力学具有某种不对称性，从而构成了一种信息棘齿。在生物体中，化学燃料的加入和废料的产生都有利于分子机器的连续运转，而且，生物分子机器往往是化学燃料到废料转变过程中的高效催化剂，从而使化学燃料发生其他无效副反应的几率非常小，因此具有极高的燃料利用效率。作为对比，上述人造小分子机器中的化学燃料Fmoc-Cl却具有非常高的副反应几率，最终仅有约10%的燃料被用于驱动分子机器的运动，而且这一体系中废料的产生和堆积也不利于分子机器的运转。

因此，英国曼彻斯特大学David A. Leigh教授团队改进了驱动分子机器自动运转的体系，通过羧酸根的催化反应特性，使用羧酸根-O-酰基脲-活性酐/酯-羧酸根的反应循环，催化碳二亚胺水解为脲，同时实现催化过程中催化剂轮烷分子上大环的临时性不对称分布，最后使用羧酸的酰胺化对中间非平衡状态的分布进行动力学捕获。在这一体系中，催化剂轮烷不同的机械状态使碳二亚胺与羧酸根的结合与水解的速率不同，两个过程共同促进了轮烷中大环的非平衡分布，从而构造了一种全新的化学驱动的信息棘齿。该工作以题为“A Doubly Kinetically-Gated Information Ratchet Autonomously Driven by Carbodiimide Hydration”发表在《JACS》上。

【机器设计】

在结构设计上，作者仍然使用了该课题组的特色结构，包含环状组分酰胺大环以及具有两个丁烯二酰胺结合位点的线性轴组分的简并态轮烷。其中两个丁烯二酰胺片段之间的烷基链上设置一个作为催化剂的羧酸根靠近其中一个位点，并远离另外一个位点。在普通状态和条件下，羧基并不与大环由相互作用，酰胺大环在两个丁烯二酰胺片段的分布比例为1:1。

图1. 轮烷结构设计

【机器运动原理】

轮烷轴上的羧酸根可以与碳二亚胺结合，生成O-酰基脲，生成的O-酰基脲可以在水存在下水解为脲和羧酸根。另外，O-酰基脲还可以在其他亲核试剂的作用下转变为活性酐类中间体或活性酯，随后在水的作用下水解为原亲核试剂和羧酸根。

图2. 羧酸根催化碳二亚胺为脲机理

在轮烷的环境下，酰胺大环分子在不同的位置时与羧酸根之间的距离不同。当酰胺大环位于靠近羧酸根的丁烯二酰胺片段时，羧酸根周围位阻较大，此时羧酸根与碳二亚胺结合速率比较慢，水解速率相对较快。而由于大环在两个丁烯二酰胺片段之间的分布没有选择性，此时体系中也同时存在大环位于远离羧酸根的氘代丁烯二酰胺位点的构象，该构象中羧酸根周围位阻较小，因此羧酸根与碳二亚胺的结合速率较快，水解速率相对较慢。两个过程的动力学差异最终导致了轮烷酰胺大环靠近羧酸根的构象中羧酸根结合碳二亚胺的比例较小，同时酰胺大环远离羧酸根构象中羧酸根结合碳二亚胺的比例较大。而与羧酸根结合后的碳二亚胺具有较大的位阻，阻止了酰胺大环在两个丁烯二酰胺片段之间的来回穿梭。这个动力学差异最终导致了酰胺大环在远离羧酸根一侧结合位点处分布的比例增大，直至体系中所有的碳二亚胺均被催化水解为脲后酰胺大环的分布才回归平衡状态。

图3. 信息棘齿原理

与此原理类似，如果在体系中加入吡啶作为亲核试剂，那么中间体则由O-酰基脲转变为酰基吡啶阳离子，其最终效果与上述类似。经分析计算，处于非平衡态分布时大环在靠近和远离羧酸根位点的分布比例为1:12。

图4. 吡啶作为亲核试剂的信息棘齿

最后，如果使用HOBt和对甲氧基苄胺使轮烷中的羧基发生酰胺化反应，可以实现对轮烷构象非平衡分布的动力学捕获。通过对捕获过程中核磁共振氢谱的分析，可以计算出该过程中燃料的利用效率为80%，大环在靠近和原理羧酸根的位点上分布的比例为1:18。

图5. 非平衡分布的动力学捕获

总结：该工作使用羧酸根催化的碳二亚胺水解反应的动力学差异实现了化学燃料驱动的信息棘齿系统。经过合理的结构和反应设计，大幅度提高了人造分子机器信息棘齿过程中能量的利用效率。此类系统可用于驱动其他分子机器体系结构内的瞬态键的形成。