图1. 连续转动化学能驱动分子马达工作原理

在自然界中，众多复杂的分子机器参与生物体的各个过程，其中分子马达发挥着独特且重要的作用，比如ATP合成酶以及细菌鞭毛。人造分子马达作为能量转换装置在纳米运输、分子泵、智能材料、信息储存以及生物医疗等方面有重要应用前景。2016年诺贝尔化学奖授予在“分子机器”领域做出卓越贡献的三位科学家。目前，光驱动分子马达在性能与机理方面有着较为深入的研究，并成功应用于选择性催化、分子肌肉和刺激响应性材料等领域。然而，化学能分子马达的设计合成难度、单向性和能量利用率等因素导致了研究进展缓慢。生物系统主要利用化学能驱动分子马达，使体系达到远离平衡态并实现相关功能，因此设计并研究化学能驱动的分子马达有着重大的意义。此外，如何模仿天然分子马达设计合成可连续单向转动分子马达依然是科学界的难题且存在巨大挑战。

赵德鹏教授课题组致力于催化合成药物分子与后修饰（Angew. Chem. Int. Ed., 2020, 59, 1340; Nat. Commun., 2021, 12, 4342; Angew. Chem. Int. Ed., 2022, 10.1002/anie.202208089）以及化学能分子马达的研究。在分子马达方面，该团队首次提出基于动态共价键和联苯结构的分子马达系统。该分子马达体系主要以高立体选择性的内酯环的打开-关闭为循环，利用正交保护基策略，以缩合剂为燃料实现了围绕联苯C-C单键的360°的单向旋转，实现了在化学能驱动条件下方向的精准控制（Chem. 2020, 6, 1-10）。

然而合成与自然界ATP合成酶类似的连续转动分子马达一直是团队的目标，经过五年的不断探索与创新，团队终于取得了重大突破。该课题主要存在以下挑战：1. 在转动的各个过程中，每一个过程都需要保证较高的单向性，且需要避免因为布朗运动导致的单向性降低。2. 为了保证马达转动的连续性，因此必须放弃正交保护基策略，而通过构象控制实现环化过程的自主选择性。3. 必须在同一个体系，使得关环-翻转-开环这一系列过程发生且具有相近的反应速率。4. 化学燃料和马达反应速率应远高于燃料自身水解速率，降低背景反应保证高燃料利用率。在最新报道中，设计合成的新型分子马达的联苯骨架侧链具有双手性中心，分别用于调控环化单向性以及环翻转单向性。利用该分子马达的特性，结合动态动力学水解的原理，以及进一步对分子结构进行优化和动力学参数匹配，分子马达在溶液中实现了高单向性连续旋转（顺时针/逆时针=8.8*105/1）。单向持续旋转过程通过单晶XRD、核磁、圆二色谱，以及反应动力学监测等手段进行了验证。

该工作不仅是世界首例高单向性连续转动的化学能分子马达，为人工分子马达和分子机器研发提供了重要的理论支持和实验验证，还将为智能材料和药物化学中生物活性分子发现提供物质基础。通过输入化学能，分子的构像以及手性发生可控变化以及定向运动，这将对分子识别、药物靶点研究、生物活性调控以及后续智能药物开发提供重要理论基础和研究方向。

图2. 赵德鹏教授课题组成员合影

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41586-022-05033-0