🕣 😺 🗽 同步信号：纳米技术中的生物马达 🏳️ 🖊️ 🤚

在我们银河系的广阔范围内，许多秘密被隐藏起来，世界各地的科学家都在努力寻找和揭开它们的秘密。但是，不必为了使事物神秘而变大。一个生动的证据就是世界处于细胞水平。细胞的形式，结构，功能和用途最多样化，许多共同完成一项共同的任务-维持人体生命。如果夸大其词，那么细胞就像人一样具有职业：邮递员，在细胞和组织之间传递信息；识别并抵抗感染的边防人员；档案管理员收集和存储信息等在这个令人难以置信的专业领域，至少对于我们来说，有一个非常不寻常的专业-生物马达，它产生细胞运动所需的机械力。

这些细胞在纳米技术的背景下特别有趣。以前，在基于生物电动机的可行纳米设备的实现中存在问题-电动机必须集成到更大的系统中，以便它们的机械运动可以有效地与其他分子单元连接。来自慕尼黑大学（德国）的科学家设法接近了这一概念的实施。在创建模型时使用了哪些特定的细胞和分子单元，如何控制它们的工作，工作系统的任务是什么，显示出什么结果？我们将在研究小组的报告中找到这些问题的答案。走。

学习基础

如上所述，生物马达是一种细胞，其产生实现细胞运动以及细胞内运输所需的机械力。这些马达包括马达蛋白质和蛋白质复合物。

为了执行其非标准活动，就像任何机器一样，运动蛋白也需要燃料。腺苷三磷酸（ATP，C ₁₀ H ₁₆ N ₅ O ₁₃ P ₃）起作用。 ATP是生命系统中所有生物过程的通用能源。

运动蛋白通过水解* ATP 起作用，使蛋白质将化学能转化为机械功。

水解*是溶解的物质和溶剂之间交换分解的反应，其中物质（在这种情况下为ATP）和水的分解发生，并形成新化合物。

特别地，运动蛋白包括肌球蛋白，驱动蛋白和动力蛋白。肌球蛋白约占所有肌肉蛋白的40-60％，参与肌肉收缩过程。

几年前已成为科学模因的驱动蛋白通过微管（蛋白质的细胞内结构）传播，参与有丝分裂，减数分裂和囊泡运输过程。

有关驱动蛋白如何通过微管移动并转化为模因的视频演示。（原件取自《细胞的内心生活》；视频上的音乐是Beein Gees的Stayin'Alive，1977年）。

动力蛋白与驱动蛋白一样，也沿着细胞骨架的微管移动，参与货物的转运过程（囊泡，线粒体等）。

纳米技术人员对生物马达的兴趣归因于几个重要因素：纳米级，生物相容性以及使用基因工程技术来制造具有特定功能的生物马达的能力。

目前，基于生物马达的作用原理有许多发展。但是，有关单个分子电动机可以完成多少实际工作的信息仍不足以全面实施。科学家的另一个难题是如何将分子运动块整合到更大的结构中，从而使其定向运动有效地转化为结构中远处势能的增加。

显然，有很多障碍，但这并没有阻止科学家。在我们今天正在考虑的研究中，科学家描述了分子装置1，该装置允许将势能从电机单元传输到远程接收器单元，从而加速后者的运动（图1）。

第1张图片

受体单元的作用是由轴向手性的*联芳基*发挥的，它的非束缚形式（模型系统2）在对映异构体1：1（1a）的平衡方向上经历了缓慢而无方向的阻转异构化旋转。

轴向手性*是由于取代基相对于某些轴（手性轴）的非平面排列而产生的。

联芳基* -包含亚结构的任何化合物，如果两个基团通过单键连接，则为两个芳族化合物或芳基的组合。

分子马达嵌段的共轭允许单向使这种阻转异构化偏离平衡。结果，联芳基的阻转异构化不再是被动的（跟随电动机的运行），而是代表了能量障碍，电动机必须积极地克服该障碍。

在机器1中，通过电动机的作用来抑制联芳基的孤立旋转的内部障碍（模型系统2用1b和1s表示），从而使联芳基的对映异构化速率提高了几个数量级。

分子装置1包括一个基于HTI的分子马达单元，属于靛蓝发色团。这种类型的单元对光极其敏感，即得益于光线，它可以被控制。电机块共价连接至远程的联芳轴，该轴不随电机的旋转而移动。

此安装与其早期版本之间的区别之一是存在其他状态（步骤）：早期版本具有4个状态，并且仅由电动机的旋转步幅进行调节；一个新的选择是六速系统（图像2）。

图2

六个异构状态的命名如下：AT表示应力状态A； AT表示应力状态A。放松状态A的AR，以及BR，CT，CR和DR（系统的中间状态）。

这些步骤中的五个可以通过实验观察到，这确认了第六步的存在，因此确认了块电机和块接收器相关系统360度旋转的完全方向性。

通过溴化HTI前体，通过会聚法合成了电动机系统1，通过铜催化的点击反应将含有硼酸酯的功能的共价键连接至溴化的HTI前体。

随后，铃木反应*给出大环化*，然后氧化得到最终结构1。

铃木反应*是由Pd（0）络合物催化的芳基和乙烯基硼酸与芳基或乙烯基卤化物的有机反应。

大环化* -导致大环形成的环化反应，即一种化合物，其中有9个或更多的键合原子形成一个环。

对于AR和系统1的CR的两个最稳定状态和系统2的最稳定的状态，获得适合用于结构分析晶体（®配置的异构体的外消旋*在AR 1D ;在CR 1E）。

Racemat *是两种立体异构体的等摩尔混合物，彼此为镜像。外消旋化合物由晶体组成，每个晶体中都有两种对映体的分子，它们的比例为1：1。

由于可以使用HPLC（高效液相色谱）分离AR / AT和CR，因此可以独立研究它们在不同温度下的加热和辐射条件下的行为。将（CDCl ₂）_2中的外消旋CR溶液加热到80°C-140°C，在93％的情况下会形成更稳定的AR。这设定了在这两种状态之间的该温度范围内的自由焓差∆G = 1.8–1.9 kcal / mol。相应的动力学分析表明，伴随Z / E双键的热异构化，在80°C下的高能垒为28.2 kcal / mol。

在CD ₂ Cl ₂ / CS ₂中将纯CR冷却至-105°C时（比率4/1）并用450 nm的光照射，就会出现一组新的信号，这与已知的信号AR和AT（3a）不同。

3号图像

DR异构体的信号在-80°C和完全黑暗的情况下，在28分钟内衰减到75％，但相反，AT异构体的信号却会增长（3）。

在-60°C时，观察到DR（剩余的12％）和AT（88％）之间的热平衡，这表示为两种状态之间的∆G = 0.84 kcal / mol。热分解的动力学分析表明，在此过程中，在-80°C下伴随着自由活化焓∆‡G = 13.9 kcal / mol。在-40至0°C的温度下，观察到AT信号的衰减和已知AR信号的伴随增加，直到它们之间达到平衡为止。在–40 ... 0°C的温度下，对该过程进行的动力学分析确定Δ•G等于18.4至19.3 kcal / mol。

因此，发现CR的照射导致第一DR光致异构化产物，其通过反转马达模块中的单个螺旋而热转化为AT异构体。冷却CD _2中的AR / AT平衡溶液时Cl ₂ / CS ₂高达-105°C，并且用450 nm的光照射时，由于其流行，观察到AR光反应。还出现了一组新信号，这些信号不同于已知的CR（3f）信号。这些新的信号是AR光反应的产物，确认了从AR到BR的光异构化的预期方向，然后进一步稳定了，即使在低温下也经历了快速的螺旋反转成CT。

在-80°C的温度和完全黑暗的环境下，BR / CT信号几乎完全消失，只有CR信号继续进一步放大（3e）。这给CT和CR之间的能量差提供了一个下限，等于0.98 kcal / mol。

动力学分析确定∆‡G = 13.4–13.5 kcal / mol，这是将ST转化为CR所必需的。可以看出，与AR中AT的异位异构化相比，CR中CT的异位异构化的活化能降低了（18.4 kcal / mol）。这可能是由于CT中的应力比AT高，这可能是由于两个酚氧原子之间的距离较大，这两个酚氧原子充当结构C中的连接链的连接点，而不是结构A中的连接链。在结晶状态下，CR两个氧原子之间的原子数是10.6，而在AR中是7.6。这使连接链在A结构中比C结构具有更大的构象（原子的空间位置）自由度。如果我们考虑到CT转化为CR的自由活化焓，然后可以在-105°C的温度下完全停止此转换过程。

在-105°C的温度下，可以检查在强暴AR曝光期间CT的累积程度。如果BR和ST之间的能量差超过2.0 kcal / mol，并且ST结构本身不参与任何光化学过程，则这是可能的。但是，由于在CT和BR之间存在快速的热平衡，因此不可能在-105°C的AR辐射期间进行CT积累。

表1

结合以上观察结果和数据，您可以创建模型1（图像2和4）中单向旋转6步序列的机械图像。

图片编号4

通过在不同温度条件下进行的实验，我们可以确定CR与AR / AT，DR与AT，AT与AR之间的∆G温度依赖性，以及BR / CT与CR，DR与AT，AT与AR的∆ G温度依赖性（表No. 1）。

与基于HTI电动机的常规4速机构不同，360度全旋转包括两个附加步骤，即增加从电动机传递至联芳基嵌段的势能。在这两个步骤期间，在电动机和联芳基嵌段（4b）之间形成能量键，即后者不再大力退化。

第5张图片

而是，由于电动机在一个完整的旋转过程中（“ 5 s”和5d）。这种能量变化在随后的热活化阶段提供了最高90％的阻转异构体互变，因此，在该机理的一个工作循环中，联芳基嵌段几乎完全旋转。

该观察结果可能表明联芳基嵌段的势能增加了，这是电动机模块运行的结果。值得注意的是，能量的初始增加量远大于联芳基嵌段的增加量。因此，只有72％的电流从电动机传递到联芳基嵌段。

上述观察结果表明，电动机和联芳基嵌段之间的连接长度是改变能量传递程度过程中的重要方面。因此，较短的连接可以允许更多的势能从BR和DR传递到AT和CT。

为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下科学家的报告和其他材料。

结语

在这项工作中，科学家根据生物马达和分子元素的相互作用，描述了他们发明的操作原理。开发的安装可让您将势能从电动机传递到特定元件（在这种情况下，它是联芳基嵌段）。由于运动活动，联芳基的热阻转异构作用被迫单向且以更快的速率进行。能量传递发生在旋转机构中的热激活棘齿（台阶）期间。还发现，电动机初始能量的约72％传递到给定的单元。

本发明是朝着建立完整的生物纳米装置的重要一步。在此类机构的设计中使用生物马达是由于它们的生物相容性，由于基因工程而导致的功能改变容易以及它们的天然纳米级。此刻的人造马达还不能拥有以上优点的结合。

研究人员说，他们下一步的工作将是证明他们的安装不仅能够执行抽象动作，而且还很有用。换句话说，它们的未来创造将得到进一步完善，以在分子水平上发挥有用的功能。

谢谢大家的关注，保持好奇心，祝您工作愉快。:)

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