酶控氧化还原驱动C-C键自主定向旋转分子马达的突破性研究

研究人员开发了一种基于氧化还原反应网络的合成分子马达，通过酶催化实现C-C键的自主单向旋转。该研究利用生物催化氧化与化学还原的协同作用，在非平衡态下驱动联苯结构分子的定向运动，为人工分子机器提供了新型能量转换机制，突破了现有酰化-水解反应网络的局限性。

　　

在自然界中，ATP合成酶等生物分子马达通过化学能转化实现机械运动的神奇能力一直激励着科学家们。过去25年间，虽然光驱动的C=C双键旋转分子马达（如Feringa型马达）和化学燃料驱动的C-N单键旋转系统相继问世，但现有系统普遍受限于单一反应类型——几乎所有化学燃料系统都依赖酰化-水解反应网络。这种局限性严重制约了人工分子机器的发展，特别是在能量来源多样性和运动控制精度方面。

针对这一挑战，英国布里斯托大学（University of Bristol）的研究团队在《Nature》发表了一项突破性研究。他们巧妙借鉴自然界广泛存在的氧化还原反应网络，设计出首个由氧化还原反应驱动的C-C单键旋转分子马达。该研究将生物催化的对映选择性氧化与非立体选择性化学还原相结合，构建了一个消耗氨硼烷（H₃N·BH₃）和氧气两种简单燃料的循环反应网络，实现了联苯结构分子3a的自主单向旋转。

研究团队采用了三个关键技术方法：(1)利用醇脱氢酶（ADH 291）实现立体选择性氧化；(2)结合NADPH氧化酶（YcnD）构建辅因子循环系统；(3)通过氘标记实验和动力学分析验证旋转方向性。实验采用10 mM底物浓度在100 mM磷酸钠缓冲液（pH 7）中进行，反应温度控制在40°C。

研究结果部分显示：

1. 模型反应验证：通过联苯二醇1a的循环去消旋化实验（图2），证实了氧化还原反应网络的可行性。在ADH 291催化下，反应24小时后获得96%收率和94%ee的对映体富集产物，建立了关键速率层级关系r_enant>r_red>r_ox。

1. 马达循环验证：通过脉冲式添加氨硼烷（图3c）证实氧化系统可稳定运行96小时以上。氘标记实验显示马达分子3a经历了多次氧化-还原循环，且稳态下中间体4a浓度极低，符合r_red?r_ox的动力学要求。

1. 方向性证明：使用对映体纯的D₂-3a同位素体（图4）证实氧化步骤具有87.6%ee的对映选择性。动力学分析表明，在标准条件下（[H₃N·BH₃]=100 mM），马达群体48小时内平均完成2.35次360°旋转。

这项研究首次实现了氧化还原反应网络驱动的自主单向分子旋转运动，突破了现有化学燃料系统对酰化-水解反应的依赖。通过巧妙利用酶催化的对映选择性与功能分离特性，研究人员成功将自然界广泛存在的氧化还原化学转化为分子机器的动力来源。特别值得注意的是，该工作首次通过同位素标记实验直接证实了单键分子马达的运动方向性，为分子机器研究设立了新的表征标准。

该分子马达设计具有三个显著优势：一是采用更接近生物系统的氧化还原反应网络；二是使用廉价易得的氨硼烷作为燃料；三是通过正交反应途径实现能量耗散。这些特点为开发更复杂的人工分子机器系统奠定了基础，未来在纳米机械、智能材料和药物递送系统等领域具有广阔应用前景。研究团队指出，通过优化氧化酶的选择性和还原剂种类，有望进一步提高马达的旋转频率和能量利用效率。