英国曼彻斯特大学的研究团队通过模拟自然分子的制造过程,研发出了高度复杂的人造分子机器,是目前世界上同类分子机器中最为先进的,可谓在实验室内掀起了一场微尺度的工业革命。相关科研报告发表在最新一期的《科学》杂志上。
此项研究由该校化学学院的戴维·利教授所主导。他解释说,这种借助分子(链)来合成制造分子的机器开发方式就像汽车厂里的机械装配流水线。该种机器最终能够提升分子的制造效率和成本效率,并使所有由分子水平开始的人工制造领域受益。例如,科研人员正在改进当前的机器来生产盘尼西林等药物。
这种机器只有数纳米长,而且只能通过特殊的设备才能看到。它的创造灵感源自天然存在的复杂的“分子工厂”,如来自DNA的信息就可被用于规划分子构建模块的连接,并使其处于正确的顺序。在这些工厂中,最特别的当属核糖体,这种大规模的分子机器存在于所有的活体细胞之中。而此次的分子机器研发正是基于核糖体。它的突出特色是具有一个功能化的纳米环,其能在分子轨道上移动,并拾起轨道上的构建模块,且以特定的顺序将它们连接在一起,以合成所需的新分子。
首先,纳米环会穿过分子链并借助铜离子开展装配过程。随后,一个“反应臂”将被附着在机器的剩余部分并开启操作。纳米环会沿分子链上下移动直至被前方的构建模块挡住去路,之后“反应臂”将从轨道上卸除这一障碍,并将其传送至机器上的另一位置,激发“反应臂”上活性部位的活力。这样纳米环就能自由沿分子链移动,直到遇到下一个构建模块。如此反复,就能在纳米环上构建出新的分子结构。当所有的构建模块都从轨道上移除时,纳米环的去分子链和合成过程便会结束。
研究人员表示,目前制造出的原型机器远没有核糖体那般高效。核糖体能够在1秒内连接20个构建模块,连接上限多达150个。而当前他们仅用分子机器连接了4个模块,连接每个模块更要耗时12小时。但科学家称,可以大规模并行推进这样的装配过程,其已经在实验室内使用百万万亿(10的18次方)架同样的机器并行实现了分子的构建。
戴维·利说,下一步他们会致力将更多的构建模块囊括其中,以利用人造分子机器制造出更复杂的分子,也有望打破自然和现有合成方式的局限,构造出全新类型的分子。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1126/science.1229753
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PMID:
Sequence-Specific Peptide Synthesis by an Artificial Small-Molecule Machine
Bartosz Lewandowski1, Guillaume De Bo1, John W. Ward1, Marcus Papmeyer1, Sonja Kuschel1,María J. Aldegunde2, Philipp M. E. Gramlich2, Dominik Heckmann2, Stephen M. Goldup2, Daniel M. D’Souza2,Antony E. Fernandes2, David A. Leigh1,2,*
The ribosome builds proteins by joining together amino acids in an order determined by messenger RNA. Here, we report on the design, synthesis, and operation of an artificial small-molecule machine that travels along a molecular strand, picking up amino acids that block its path, to synthesize a peptide in a sequence-specific manner. The chemical structure is based on a rotaxane, a molecular ring threaded onto a molecular axle. The ring carries a thiolate group that iteratively removes amino acids in order from the strand and transfers them to a peptide-elongation site through native chemical ligation. The synthesis is demonstrated with ~1018 molecular machines acting in parallel; this process generates milligram quantities of a peptide with a single sequence confirmed by tandem mass spectrometry.