综述：从单个分子到整个群体的分子机器

《Current Opinion in Biotechnology》：Molecular machines from individuals to swarms

本文综述了分子机器在个体设计与群体协同机制中的最新进展，探讨其在纳米操纵、材料合成和靶向递送中的应用，并分析热噪声、量子效应等挑战，提出通过多机器协作实现宏观功输出的未来方向。

　　

王斌|卢源

清华大学化学工程系，北京100084，中国

分子机器能够将物理和化学能量转化为有效的机械功，在医学、催化和材料等领域作为实现微纳尺度智能操控的工具取得了显著进展。然而，功能上的限制阻碍了分子机器向实际应用的快速迭代。这不仅需要单独设计分子机器以在各种系统中实现更高效的性能，还需要通过群体协作来整合空间和时间方面的因素，从而将分子尺度的变形放大到宏观层面。在这篇综述中，我们讨论了分子机器在个体设计和群体设计方面的最新成果，指出了现有挑战，并对这些机器的未来发展提供了见解。

引言

分子机器是能够在纳米尺度上产生连续机械运动的分子或超分子系统，例如平移或旋转1, 2, 3, 4。在生物系统中，天然的分子机器（主要是马达蛋白）消耗能量来引导特定的分子构象变化，对几乎所有基本过程都至关重要[5]。由于布朗运动的存在，有必要引入一些机制来纠正热波动，从而从简单的分子运动中提取出实际的机械功。迄今为止，纳米技术、合成化学和生物技术的进步使得各种策略得以开发，用于操控非平衡能量障碍。已经开发出多种有机小分子、大分子和超分子系统，并证明它们在纳米尺度操作方面具有巨大潜力。然而，性能和控制精度上的差距仍然限制了它们的实际应用。

分子机器的个体设计需要进一步提高性能，以产生更有效的驱动力来执行工作，并且需要开发新的机制来适应更广泛的系统。此外，如果没有群体层面的复杂设计，分子机器难以实现宏观层面的工作。在这种情况下，提出了分子机器群体的概念，以建立一种新的范式6, 7, 8, 9。群体形成了有序的整合和层次化的组织，为构建具有自主性和智能性的材料提供了灵感。本文重点介绍了近年来分子机器个体设计和群体设计的关键领域，总结了在微纳操控方面的最重要应用，并展望了未来的应用转型。

部分摘录

个体设计

设计高效的光驱动分子机器仍然是一个持续的挑战，特别是在旋转速度、选择性和光能利用效率方面存在明显限制。分子机器的高效运行需要快速的光异构化反应，这可以通过引入应变能来实现（图1a）[10]。通过功能基团的修饰（如甲酰化），可以构建一系列分子机器...

群体设计

由于在自适应材料构建和靶向分子递送等应用中的强烈需求，群体设计已成为不可避免的方向。在分子尺度上，单个分子难以独立完成宏观工作或执行复杂的协作任务，因此必须通过群体协作来实现功能的涌现和放大。这导致了两种不同的群体行为...

微纳操控

分子机器凭借其紧凑的尺寸，可以作为精确进行微纳尺度操控的工具。特别受到关注的应用包括材料合成、货物运输和细胞操控。

分子机器可以改变反应物的结构或构象，直接影响分子尺度上的合成行为。一方面，它们可以使系统偏离热力学平衡，从而显著...

挑战与前景

随着各种努力的进行，分子机器正逐渐接近在所有尺度上应用的愿景。然而，在现阶段，许多模型仍处于概念阶段，距离理想的应用还有很长的路要走（图2）。首先，实现高空间-时间控制精度是一个重大挑战，因为分子会受到热噪声和布朗运动的影响。在更小的尺度上，量子隧穿和量子相干性等效应可能会引入...

CRediT作者贡献声明

王斌：数据整理、形式分析、研究、方法论、初稿撰写、审稿与编辑。 卢源：概念构思、资金获取、项目管理、资源协调、监督、验证、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号：22278241）的支持。