文献分享 | 《JACS：具有光和电响应的人工分子泵》

文献分享：生命与传感小组

Journal of the American Chemical Society：具有光和电响应的人工分子泵

前言

先前我们提到了人工分子机器的一种（https://mp.weixin.qq.com/s/GjHolohLK009R26VsAfzDw），即人工分子马达。此次我们来探究另一种人工分子机器——人工分子泵(artificial molecular pumps, AMPs)。在生命体内就存在一系列分子泵，例如图1所示的一种存在于细菌细胞膜表面的膜蛋白（Bacteriorhodopsin），它可以通过光引发的蛋白质构象变化实现质子由低浓度区域向高浓度区域的主动运输（知乎.An Artificial Molecular Pump [EB/OL].https://zhuanlan.zhihu.com/p/20017387, 2015-05-19.）。通过设计合成人工分子泵我们可以模拟一个相似的过程，例如轮烷，它是由环状分子与链状分子组成的一种超分子结构，可以通过外界刺激来调控环状分子和链状分子的相互作用，从而实现分子泵的功能。

图1 细菌膜蛋白的质子跨膜主动运输和人工分子泵的运输过程（知乎.An Artificial Molecular Pump [EB/OL].https://zhuanlan.zhihu.com/p/20017387, 2015-05-19.）。

近日，美国西北大学J. Fraser Stoddart课题组和缅因大学R. Dean Astumian课题组报道了一种具有光和电双重响应的人工分子泵。通过电刺激，可以使环状分子嵌套到链状分子上，形成[2]轮烷结构，而继续施加光刺激，能够将环状分子释放回溶液中。

内容

作者首先合成了如图2a所示的哑铃形分子PcMP³⁺。该分子包含（i）一个有氧化还原活性的联吡啶单元（BIPY²⁺），该单元位于（ii）一个2,6-二甲基吡啶基团（PY⁺）（提供库伦势垒）和（iii）一个异丙基苯基基团（IPP）（提供空间位阻势垒）之间。而在IPP基团另一端通过（iv）三氮唑基团连接着（v）一个寡聚烷烃链和（vi）一个可光解的阻塞基团（PcS）。

环状分子CBPQT⁴⁺可以沿链状分子PcMP³⁺单向传输，形成中间体[2]轮烷R⁷⁺。首先可以通过电化学氧化还原驱动分子泵中嵌入环状分子，它是一种能量棘轮机制。这种机制是通过改变环状和链状分子间相互作用的动力学势垒高度和热力学势阱深度来实现的（图2b所示）。

处于氧化态时，PY⁺所呈现的库仑势垒非常大，而还原态的则小得多，以此调控环状分子套入的动力学势垒。当施加一个-700 mV恒定还原电位，使BIPY²⁺和CBPQT⁴⁺还原，环状分子套入链状分子的动力学势垒降低，并且当环穿入链状分子时，BIPY^+ž和CBPQT^2(+ž)有很强的结合作用（热力学势阱变深），形成三自由基三阳离子复合物。接下来再施加一个+700 mV的氧化电位，使得复合物重新被氧化，由于库仑斥力作用，环状分子会滑移到烷烃链部分，同时IPP的大位阻（类似于棘轮），使得其被限制在烷烃链部分，形成中间体[2]轮烷R⁷⁺。紧接着，通过施加365nm光使得[2]轮烷R⁷⁺中的阻塞基团PcS解离，CBPQT⁴⁺就被重新释放到溶液中。

图2  a) PcMP³⁺和CBPQT⁴⁺结构；b) CBPQT⁴⁺在PcMP³⁺上的单向运输的示意图。

接下来，作者通过¹H，DOSY和NOESY NMR核磁共振波谱确认了整个过程。通过¹H NMR可以看出，由于CBPQT⁴⁺的屏蔽效应，相比于PcMP³⁺，R⁷⁺上的H₁₇（T基团）以及H₂₀-H₂₄（烷烃链）的化学位移明显地向高场移动（图3a-b）。而施加紫外光光解后，PcMP³⁺的H₁₇、H₂₀-H₂₄以及CBPQT⁴⁺的H_α、H_β的化学位移又恢复到了初始值（图3c）。

图3  (a) PcMP·3PF₆, (b) [2]R·7PF₆, (c) 物理混合PDB·3PF、CBPQT·4PF₆和PcS*的¹H NMR核磁共振波谱图。

作者还通过¹H NMR，利用PcS上的H₃₀和CBPQT⁴⁺上的H_α进行了动力学分析，通过动力学常数的比较发现，PcS光解和CBPQT⁴⁺环的释放具有十分相近的动力学常数，表明光解和环释放过程是同步发生的。

图4  ¹H NMR监测CBPQT⁴⁺环释放的动力学分析 (a) 通过紫外光照射导致环释放过程示意图, (b) 光解过程中R⁷⁺、PDB³⁺、PcS*和CBPQT⁴⁺的摩尔分数随时间变化曲线图, (c) ln(c)随时间的变化图，其中c为CBPQT⁴⁺环（绿色方块）和PcS（蓝色圆圈）的浓度。

最后，作者通过荧光猝灭实验，证明了环可以可控地释放。CBPQT⁴⁺环能够与DNP形成供体-受体包合物，导致DNP的荧光淬灭（图5a），因此可以通过测量溶液中DNP的荧光强度监测CBPQT⁴⁺环的释放过程作者通过记录随时间变化的荧光光谱监测了整个猝灭过程(图5b)，经过18分钟的UV照射最终达到稳定状态，并且可以通过交替开启和关闭紫外光来精确控制CBPQT⁴⁺环的释放(图5c)。

图5 荧光猝灭监测CBPQT⁴⁺环释放的动力学分析 (a) 在DNP荧光团存在下的环释放示意图, (b) 在不同时间拍摄的一组荧光光谱，插图: 在327和342 nm波长处的归一化荧光强度与光照时间的函数, (c) 通过光照的开启和关闭的时间控制图（灰色条纹为关闭光照部分）。

总结与展望

本文设计合成了一种人工分子泵，该分子泵可以利用正交的电和光刺激控制其工作过程，这种设计思路可以用于整合多个分子机器，进行协同工作。同时，其精确、可控的特点，可用于药物输运和物质释放。

自1994年起，Stoddart的研究团队就致力于用轮烷来构造各种分子机器，以期在微观条件下实现各种功能。除了上述工作，通过轮烷还实现了分子开关、人造肌肉、分子电梯等功能。虽然我们目前只看到实现微型化机械的第一步，但相信这些分子机器给未来带来了无限可能。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/pdf/10.1021/jacs.0c06663

撰稿人：朱奕轩（2019级博士研究生）

校稿人：周彧（2019级博士研究生）