人造分子肌肉:可向各方位收缩舒张

上传 / 管理员 ·2016-11-18 分子肌肉

论文标题 / Mechanically interlocked daisy-chain-likestructures as multidimensional molecular muscles

作者 / Jia-ChengChang, Shin-Han Tseng, Chien-Chen Lai, Yi-Hung Liu, Shie-Ming Peng & Sheng-Hsien Chiu

期刊 / Nature Chemistry

发表时间 / 2016-09-19

数字识别码 / 10.1038/NCHEM.2608

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翻译 卓思琪
审校 访冬

功能肌肉对于我们的日常生活极其重要,离开它们,我们连平常的呼吸、吃饭都做不到。但是,如此重要的肌肉在分子水平上,结构却非常简单。通常,功能肌由与骨头相连的两种细纤维组成。当纤维滑动时,肌肉便产生运动。

最近,科学家设计出了一种分子肌肉,该分子肌肉系统有着类似于菊花链(Daisy Chain)的复杂结构。相对线性生物肌肉而言它的性能甚至更优越,它不仅有着相似的伸缩能力,而且在二维三维上都能进行伸缩。

分子菊花链

花A的茎穿过花B茎末端的环,由花B上的花头阻挡,使得花A的茎只能穿过花B一个环。不断重复这个过程,就得到了“菊花链”。

最新设计的分子肌也是同样的道理。分子中的线性部分类似花茎,其中一头具有环状结构,另一头连接着位阻较大的取代基。取代基和花头一样,起到阻挡的作用。在单一的维度上,该分子和生物肌肉有着相似的作用原理:两分子间能够进行线性的滑动,当环状结构触碰到障碍时滑动停止。 

但是三个分子就可以组装成能在平面三角形上伸缩的Y形结构。四个分子则能够组装成在四面体内外伸缩的平面四边形。

制造分子链

科学家用分步工艺来制造分子肌肉。首先从扮演“花茎环”的分子环入手。分子环是由芳香环组成,通过碳氧键来结合连接臂,连接臂上又有扮演“花茎”的线性部分。在线性部分上,各式的环状结构和三键既能用来维持其刚性,又能作为垫片让线性部分进行全方位伸展。

当这些分子独立存在于溶液中时,很少有机会利用自身结构形成分子肌肉。然而,当向溶液中添加锌离子之后,这些分子会以锌离子为中心形成八重对称复合物,使得连接臂的末端锁定起始端的分子环。该簇生过程需要在持续一段时间(一天半到四天)的高温(50℃)下进行。

将分子以正确的方向连接后,便需要障碍物来终止连接。研究者用位阻较大的甲基化环来作为障碍物。最后,将锌离子除去(用Na4EDTA),所装配的分子在碰到末端的障碍物前,便可以自由伸展。

研究者展示了三分子形成的Y形链和四分子形成的四面体链的能力。他们还表述了这两种分子的结构特征,并对它们可能进行的运动进行了估计。科学家发现加入和移去锌离子会导致分子链可逆的伸缩。三分子链可以伸展近23%。四分子链连能伸展大约36%。这些数值和线性肌肉相当(大约27%左右)

研究者猜想,这些结构能够作为分子机器用于多维操作。而这一类型的应用需要控制分子的移动量,从而对靶标精确响应。该研究还有待深入。

【论文摘要】Daisy chains (DCs) aregarlands of flowers that can be worn as bracelets and necklaces. As a result oftheir beautiful interlocked structures and possible muscle-like motions, cyclicmolecular DCs ([cn]DCs, where n is the number of repeating units)have long been attractive synthetic targets for supramolecular chemists. Hereinwe report artificial molecular muscles that—unlike one-dimensional (1D)biological muscles—contract and stretch in 2D or 3D. These systems have thestructures of [c3]- and [c4]DCs with subcomponents that operate as molecularswitches, powered through the addition or removal of Zn2+ ions to impartmuscle-like behaviour. We assembled these [c3]- and [c4]DCs selectively byexploiting structural rigidity, coordination geometries and bond rotationalbarriers that disfavoured the formation of smaller homologues. The switchingphenomena of our [c3]- and [c4]DCs resulted in the contracted molecular musclesstretching by approximately 23 and 36%, respectively, comparable to the value(27%) for linear biological muscles.

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我又去扒图了,是很小分子的菊花链呢,哦,菊花……
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2016-11-18 17:59:18

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这种结构要是用在机械臂上不知道会不会效果拔群?
(机械臂万岁!残疾人福音2333333333)

2016-11-18 17:50:19

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