清华大学卢元等综述：多维度与可重构的分子机器集群

研究背景

分子机器是能够产生机械运动的纳米级分子或超分子系统，可平移、旋转和构象改变。随着合成化学、超分子化学、纳米技术和生物分子工程的进步，各种有机小分子和超分子系统，以及基于天然生物大分子的人工分子机器被开发并应用于微观表面改性、跨膜转运和智能催化等场所。然而，单兵作战的分子机器仅能产生有限的纳米级的功。如果分子机器在所有长度尺度上进行应用，需要投入更多的时间和精力来研究如何利用和放大它们的输出。回看生命系统，执行方式和组织方式中的集群模式给了研究人员灵感。通过有序集成和分层构建不仅可以将分子机器的规模从纳米尺度扩展到微观甚至宏观尺度，而且还获得了更多的自由度来执行更复杂的任务。

Collective Molecular Machines: Multidimensionality and Reconfigurability

Bin Wang, Yuan Lu*

Nano-Micro Letters (2024)16:155

https://doi.org/10.1007/s40820-024-01379-4

本文亮点

1. 总结了集群分子机器在构建智能响应材料和微纳操作方面的设计策略和最新进展。

2. 重点关注了集群行为特征和性质的调控，包括智能材料的可逆性、可放大性、各向异性和可重构性，以及集群的可重构性、正交性和逻辑控制。

3. 微/纳机器人领域在集群构建、控制策略和模态转换方面的经验和范式有望为分子机器构建可重构、多维度和多模块化的先进集群提供指导。

内容简介

分子机器是细胞活动的关键，它们参与将化学能和光能转化为机械功。在过去的60年中，分子机器的研究已经取得了有效进展。然而，单个分子机器只能产生纳米功，并且通常只有单一的功能。为了解决这些问题，通过在空间和时间上整合这些单个机械单元来实现的集体行为已成为一种新的范式。清华大学卢元团队全面讨论了分子机器集体行为的最新发展。集体行为被分为两种范式：一是分子机器与其他组件集成，从而有效地放大分子运动和变形来构建新型功能材料；二是在超分子水平上构建蜂群模式，以执行纳米或微米级的操作。该综述讨论了两种模式的设计策略，并重点关注集群特征和性能的调控。随后，为了应对现有的挑战，提出了将微/纳机器人领域获得的经验移植到分子机器中的想法，为分子机器集体行为的未来发展提供了见解。

图文导读

I 分子机器的代表性类型

热运动是主导分子机器中发生的状态切换的主要因素。如何使这种转变单向进行，这是从“分子”到“分子机器”的关键。因此，需要必要的能量输入来使构象偏离化学平衡，同时防止转变向相反方向进行。这一策略指导了棘轮机构的发展，这导致了第一台旋转分子机器的诞生。当科学家合成机械互锁的分子时，第二种类型的平移分子机器得到了极大的发展。通过创造能量壁垒，这种分子机器能够在不同的结合位点之间可控地切换。蛋白质工程和DNA折纸技术为分子机器开辟了新的机会，从而诞生了基于生物大分子的混合分子机器。生物分子机器固有的微妙结构及其利用ATP的能力降低了设计要求。这三类分子机器展示了运动和控制的经典范式，是形成集体行为的基本组成部分。

图1. 分子机器的主要类型。

II 分子机器集群的构建策略

分子机器的大量表面基团使它们能够自组装成网络或集成到液晶和凝胶等分层组件中。相对薄弱的单个分子机器通过网络的连接将纳米功放大为宏观功。这为构建智能材料开辟了可能性。第一个关键问题是如何使材料能够具有更丰富和可控的形状变化。这需要考虑分子机器的排列和对齐。只有当分子机器处于相同的方向时，它们才能将纳米尺度上的变化最大化。第二个关键问题是如何主动地控制。化学驱动的灵活性往往有限，需要更主动的控制源。光是一种可编程的物理场，这对于宏观材料的灵活性至关重要。此外，光动力分子机器能够自主操作，这更符合智能材料的设计理念。

分子机器的蜂群模式有望提高在纳米尺度上完成复杂分子任务的能力。蜂群的灵活性保证了分子机器集合体能够适应更复杂的环境。在执行蜂群运动时需要考虑两个重要问题。第一个问题是，分子机器之间的相互作用和耦合是如何实现的。这就如同有机体可以接收与附近的个体互动的信息，并共同改变位置、形状或大小，即使没有任何领导者。实施集体行为过程中的第二个关键问题是如何实现集体模式的有效转变。在这个问题上，首先要考虑灵活性。磁场具有更灵活的可编程性，但很难转化为分子本身的能量。其次，需要考虑如何实现模块化和正交控制。

图2. 分子机器的两种集体行为模式。

无角度依赖结构色提高了柔性驱动器的视觉吸引力，其颜色范围广泛且不受观察角度影响，增强了美观性，更吸引用户。在MXene基柔性驱动器中实现无角度依赖结构色可提升外观识别度，如展示机器人或可穿戴设备的状态，便于用户快速理解。在生物医学等领域，这些颜色可用于实时监测和诊断。然而，需解决材料兼容性、可调性、稳定性和大规模制造等问题。MXene具有独特机械性能，但仍需进一步深入研究其核心纳米结构。需精确控制纳米结构的大小、形状和排列，确保结构稳定性，并开发可规模化的制造工艺，实现商业化应用。

III  集群行为的特性调控

智能响应材料主要关注可逆性、可放大性、各向异性和可重构性的调控。

通过引入光响应开关来实现光控逆转是可逆性最常采用的方式。为了更有效地整合和放大集体行为，分子需要有组织地执行协同和扩增操作。一个有效的想法是将分子机器的单链聚合物排列成层状结构束，就像肌原纤维横向包装在肌肉纤维束中时所做的那样。另一种思路是通过构建支链聚合物，以便组装更多的分子机器接头。

在上述收缩和膨胀行为中，只有沿径向的变化，并且很难将这种转换形成有效的功能。液晶(LC)和分子机器的结合是此类工作中经常使用的方式。LC表现出高度有序的结构，在溶液或熔融状态下诱导各向异性，为分子机器提供了有利的集体环境。此外，LC的长程取向顺序也增强了手性转变的有效性。可重构性是集体行为能否实现多维转化的关键指标。为了克服强耦合对集体行为自由度的局限性，提出了利用分子机器协同作用形成超分子组装体的思想。

图3. 智能响应材料的可逆性、可放大性，各向异性和可重构性调控。

蜂群行为主要关注群体形成、可重构性、正交性和逻辑控制。

驱动蛋白和微管(MT)是分析蜂群的动态自组装和集体行为的经典系统。碰撞诱发的向列排列是集体行为形成的主要原因之一。此外，拥挤的空间是管束形成的重要因素，因为它有助于碰撞的可能性。在此基础上，选择适当的手段来增加集体行为的可重构性成为下一个目标。通过地形图案控制驱动蛋白驱动的 MT 的集体运动是一种简单而巧妙的方法。另一种方法是修改 MT 来改变个体之间的耦合行为。

使用偶氮苯作为传感器，DNA作为信息处理器，驱动蛋白和MT作为执行器的分子机器是智能集体控制的常用系统。在经典范式的基础上，进一步提高控制的正交性是迈向模块化和集成化的关键。群体分子机器中的正交性使不同的组/类型的机器人能够执行集群或单独的活动，而不会交互或干扰。此外，DNA具有存储大量数据的能力，有望用于构建集体行为的数据处理器。这种基于DNA分子构建的组合被应用于时空控制，以提高集体行为的多样性。

图4. 蜂群行为的对齐和可重构性。

图5. 基于DNA的正交性和逻辑控制。

IV 现存的挑战

集群行为的出现及其在分子机器上的应用拓宽了分子机器的应用范围，越来越接近各种长度尺度的分子机器的应用愿景。然而，在现阶段，无论是使用分子机器来构建智能响应材料，还是使用蜂群行为来执行纳米级操作，都不是完美的。并且其中许多模型都处于概念化阶段。多维度精准控制、足够的稳定性以及模块的集成都是现阶段面临的重要挑战。

图6. 分子机器集群行为的挑战。

V 来自微/纳机器人的经验

微/纳机器人也是研究的热门领域。微/纳机器人和分子机器之间有许多相似之处，例如，它们都在微米和纳米尺度上，并且它们都具有接收外部刺激的受体和执行器来执行运动和工作。早期的微/纳机器人以无机金属复合材料为主，但随着有机高分子材料和生物材料的不断加入，微/纳机器人越来越接近分子机器。集体行为在微/纳机器人中的研究比在分子机器中更成熟，并且表现出极其丰富的行为，例如一维聚集和分散行为、二维多模态重构、三维的空间装配和四维多功能层级结构。因此，希望利用微/纳机器人领域的经验来指导分子机器，以突破挑战。

活性粒子的加入有望提高对分子机器运动的精确控制。一些工作已经纳入了这个想法。但将无机材料与有机材料相结合存在问题，包括但不限于保持尺寸、生物相容性和分子稳定性。此外，分子机器在多物理场控制下的模态转换尚未实现。分子机器已经具有萌芽的集体行为模式，这主要集中在DNA和MT系统中。但在更灵活的模式和更高维度的集体行为中尚未有报道。但所有这些，在微纳米机器人中已经实现了大量的工作。DNA精确配对提供的自由度是解决这个问题的一种策略，这是分子机器优于微/纳机器人的一点。然而，合理地设计分子机器的结构以利用这种自由度是一个挑战。最后，微/纳机器人的许多应用模块可以执行捕获、加载、催化和成像等多种功能。这些模块，有效地借用或移植，可以将分子机器变成真正能够执行多项任务的机器。

图7. 分子机器与微/纳机器人的比较。

VI 总结

分子机器的运动行为通过集体控制得到有效放大，以产生类生命的运动。这些集成系统已经触及了大量的应用，无论是从储能设备到软体机器人的构造，还从货物装卸到微纳操纵。在未触及的领域，分子机器也可能在催化控制和3D打印中发挥作用。这些愿景是美好的，但必须承认，集群行为在分子机器中的应用只发生在过去十年内。控制的精度、材料的强度和模态转换的灵活性尚未成熟。尽管微/纳机器人与分子机器存在多方面的差异，但在控制集体行为方面肯定会有值得学习的方面。这些经验将帮助分子机器获得足够的强度和控制精度，通过集成和模块化进一步构成有价值的工作平台。

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Nano-Micro Letters《纳微快报(英文)》是上海交通大学主办、在Springer Nature开放获取(open-access)出版的学术期刊，主要报道纳米/微米尺度相关的高水平文章(research article, review, communication, perspective, highlight, etc)，包括微纳米材料与结构的合成表征与性能及其在能源、催化、环境、传感、电磁波吸收与屏蔽、生物医学等领域的应用研究。已被SCI、EI、PubMed、SCOPUS等数据库收录，2022JCR影响因子为 26.6，学科排名Q1区前5%，中科院期刊分区1区TOP期刊。多次荣获“中国最具国际影响力学术期刊”、“中国高校杰出科技期刊”、“上海市精品科技期刊”等荣誉，2021年荣获“中国出版政府奖期刊奖提名奖”。欢迎关注和投稿。

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