2016 年诺贝尔化学奖授予了法国斯特拉斯堡大学 Jean-Pierre Sauvage 教授、美国西北大学J. Fraser Stoddart 教授和荷兰格罗宁根大学 Ben L. Feringa 教授,以表彰他们在分子机器合成领域的卓越贡献。本前沿反映了这些科学家的卓越贡献和最新进展。


1983 年,Jean-Pierre Sauvage 首次使用金属模板诱导合成索烃,迈出了合成分子机器的重要一步。


J.Fraser Stoddart 通过精巧的轮烷设计,使得分子可以精准地沿着设计的方向运行,2004 年合成了分子电梯。1999 年,Ben L. Feringa 合成了分子马达,2006 年成功使分子马达驱动比其大上千倍的玻璃棒转动,2011 年合成了以四个分子马达作为轮子的纳米车。2017 年,Ben L. Feringa 将纳米级的分子机器组装成厘米级的纤维,该纤维组成的纤维束在紫外光照射下成功举起一张纸片。


化学材料热点前沿:分子机器国内外最新研究成果

化学材料热点前沿:分子机器国内外最新研究成果



一、互锁纳米碳—纳米级无摩擦分子机器的未来!


2019年7月,Segawa等人报道了全苯链构造的机械互锁纳米碳的合成。这些机械结合的纳米碳在碳纳米科学和分子机器研究之间架起了一座桥梁。该研究成果以题为“Topological molecular nanocarbons: All-benzene catenane and trefoil knot”的论文发表在国际顶级学术期刊Science上(见文后原文链接)。


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核心在于,索烃是由不含任何杂原子的苯环联成的,而之前的结构都由于用了金属络合模板,结构里都含有吡啶配体。


2008年,Segawa等人首次制备出扶手椅型碳纳米管碎片,称为环对苯撑。[n]CPPs由n个对位连接的苯环组成,产生了大量的应变能。


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作者使用基于硅基模板法制备关键的机械键。在这种方法中,一个四面体硅原子以交叉的方式将两个相邻的CPP片段邻接(见图 1)。经双大环化后,可除去硅系绳,保留交锁结构。最后,还原芳构化将环己二烯单元转化为全苯结构。在这种方法的基础上,Segawa等人还制备了一种三叶草结分子,这是一种最简单的结,只需要剪断其中一股就可以解开。这种合成方法不需要金属配合或主客相互作用,因此大大扩展了可以合成的机械互锁结构的类型。


随着对小型化技术的需求增加,将机器缩小到纳米级是一个重大挑战。机械互锁分子的构建为解决这些难题提供了坚实的基础。正如Segawa等人报道的工作表明,合成化学家的想象力和技能将继续在开发新的结构框架中发挥关键作用。他们研究的富碳结构将是未来纳米碳分子机器研究的重点。


文章官网链接:


https://science.sciencemag.org/content/365/6450/272


二、清华科研团队揭秘精巧分子机器结构与机制


2019年8月清华大学药学院肖百龙课题组与生命科学学院李雪明课题组日前揭示了赋予人类自身触觉感知能力的机械力分子受体——Piezo2离子通道的高分辨率的冷冻电镜三维结构和精巧工作机制。该研究成果近日于《自然》期刊在线发表。


据悉,两个课题组研究人员利用分子生化、单颗粒冷冻电镜技术、电生理膜片钳等多学科研究手段,经过6年多努力,克服全长2822个氨基酸的鼠源Piezo2表达量极低的困难,获得了性质稳定均一的蛋白样品用于冷冻电镜数据采集,最终成功解析了Piezo2蛋白包含38次跨膜螺旋区的完整拓扑结构。


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“解析如此大型的膜蛋白结构进而确定每个原子的空间位置,在技术上是极具挑战的。”《自然》杂志刊发评论员文章对该研究评价道,Piezo通道是目前已知的含跨膜螺旋区最多的人类蛋白分子机器,“这是单颗粒冷冻电镜所带来的‘分辨率革命’时代的又一重要研究成果”。(来源:新华网)


三、瑞士科学家发现对抗焦亡的膜修复分子机器


2019年1月Science在线发表了瑞士巴塞尔大学Petr Broz课题组题为ESCRT-dependent membrane repair negatively regulates pyroptosis downstream of GSDMD activation的研究。该研究发现:细胞内ESCRT系统(endosomal sorting complexes required for transport,转运必需内体分选复合物)在GSDMD引起焦亡过程中可发挥修复膜孔的作用,减少焦亡和IL-1β的释放。


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研究人员首先用Fluo-8标记Ca2+,发现WT BMDM细胞(Bone marrow-derived macrophage)在焦亡发生中可有明显的Fluo-8峰值,而Casp11-/-或Gsdmd-/- BMDM及未发生焦亡的WT BMDM均未发现Fluo-8峰值,即未发生内流。研究人员进一步使用Ca2+螯合剂BAPTA-AM和EDTA降低胞外Ca2+流动,此时胞膜修复过程被阻断,细胞死亡增加。


研究人员将ESCRT系统中CHMP4B与GFP融合,发现其在焦亡过程中形成点状聚集(puncta),并可定位于质膜,而添加Ca2+螯合剂后明显减少CHMP4B-GFP聚集。而将CHMP4B-mCherry与GSDMD-GFP同时表达后,可发现GSDMD可定位于膜周CHMP4B形成的点状聚集中。同时,研究人员发现抑制ESCRT系统后没有影响GSDMD活化,说明其仅仅针对焦亡的下游进行膜修复过程对抗细胞死亡。


该研究向我们展示了ESCRT系统抑制焦亡发生的重要调控作用,同时该研究也发现,ESCRT除对抗GSDMD发挥抑制凋亡的作用,其仍有可能通过调节K+外流等途径控制炎症小体活化。这为脓毒症等炎症性疾病治疗提供了新的思路。(来源: BioArt)


原文链接:http://science.sciencemag.org/content/362/6417/956


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