小分子有两条腿沿轨道行走

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作者：熔桓　发稿时间：2012-05-02 11:05:37　
行走的是一个小分子，就是α-亚甲基-4-硝基。它类似一幅简笔画，有一个芳香六元环的碳原子作为它的躯干，硝基组是它的头，还有两条短的烃腿。


在我们身体中的每一个细胞内，以及单个细胞之间，都会有永久的运输过程，出现的距离从几纳米到数毫米不等。这些细胞有一种“载体”，它起作用是通过分子马达，会沿着细胞骨架的细丝“行走”。英国研究人员受这些启发，开发出一种分子“轨道”，沿着轨道，小分子可以来回移动，就像一个信使一样。他们的系统已经介绍，2012年4月5日发表在杂志《应用化学》（Angewandte Chemie）上，题为《小分子非定向移动沿着轨道无外部干扰》（A Small Molecule that Walks Non-Directionally Along a Track Without External Intervention）。
戴维•雷（David A. Leigh）和研究小组在英国爱丁堡大学（University of Edinburgh）制成他们的轨道，采用的是低聚乙烯（oligoethylenimine）。纤丝含有氨基酸（amino），作为“垫脚石”，用于分子“行走”。行走的是一个小分子，就是α-亚甲基-4-硝基（α-methylene-4-nitrostyrene）。它类似一幅简笔画，有一个芳香六元环（aromatic six-membered ring）的碳原子作为它的躯干，硝基组（nitro group）是它的头，还有两条短的烃腿。这个分子最初是单腿站在轨道上的第一块踏脚石上。这种行走分子开始移动时，要进行环闭合重组，这是分子内的一种迈克尔（Michael）反应。这会使第二条腿站到邻近的踏脚石上。第二，环开启重排反应，这是一种恢复式迈克尔反应，会使第一条腿脱离踏脚石。这就使这个行走分子沿着轨道移动，一步接着一步。
然而，有一个问题：所有这些重排反应都是平衡反应。如果踏脚石在化学上是等价，那这个微小的行走分子就会来回移动，抬起一条腿，再放下来，向前迈进一步，然后再走回来；它的运动有没有方向性。然而，平均而言，它会令人惊讶行走高达530步，然后才完全脱落轨道。这显著超过了自然系统，比如运动蛋白马达蛋白质。
这种微型行走分子甚至可以完成一项任务：研究人员把一个蒽（anthracene）簇附着到轨道的末端，轨道有五个踏脚石。只要行走分子停留在轨道的开端，蒽就会发出荧光。然而，如果行走分子到了轨道末端，就是放置蒽的那端，电子相互作用就会在行走分子和蒽之间发生，就会“关闭”荧光。研究人员发现，荧光强度会缓慢地降低，大约降低一半。大约在6.5小时后，到达最后的强度，在这一点上，行走分子所有可能的位置之间的有了一种平衡。
研究小组的下一个目标是开发一种行走分子，可使用“燃料”前行，有预定方向，可以运输货物，有着更长的分支轨道。