英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過模擬自然分子的制造過程,，研發(fā)出了高度復(fù)雜的人造分子機(jī)器,，是目前世界上同類分子機(jī)器中最為先進(jìn)的,，可謂在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)掀起了一場(chǎng)微尺度的工業(yè)革命。相關(guān)科研報(bào)告發(fā)表在最新一期的《科學(xué)》雜志上,。
此項(xiàng)研究由該?；瘜W(xué)學(xué)院的戴維·利教授所主導(dǎo)。他解釋說,，這種借助分子（鏈）來合成制造分子的機(jī)器開發(fā)方式就像汽車廠里的機(jī)械裝配流水線,。該種機(jī)器最終能夠提升分子的制造效率和成本效率,，并使所有由分子水平開始的人工制造領(lǐng)域受益。例如,，科研人員正在改進(jìn)當(dāng)前的機(jī)器來生產(chǎn)盤尼西林等藥物,。
這種機(jī)器只有數(shù)納米長(zhǎng)，而且只能通過特殊的設(shè)備才能看到,。它的創(chuàng)造靈感源自天然存在的復(fù)雜的“分子工廠”,，如來自DNA的信息就可被用于規(guī)劃分子構(gòu)建模塊的連接，并使其處于正確的順序,。在這些工廠中,，最特別的當(dāng)屬核糖體，這種大規(guī)模的分子機(jī)器存在于所有的活體細(xì)胞之中,。而此次的分子機(jī)器研發(fā)正是基于核糖體,。它的突出特色是具有一個(gè)功能化的納米環(huán)，其能在分子軌道上移動(dòng),，并拾起軌道上的構(gòu)建模塊,，且以特定的順序?qū)⑺鼈冞B接在一起，以合成所需的新分子,。
首先,，納米環(huán)會(huì)穿過分子鏈并借助銅離子開展裝配過程。隨后,，一個(gè)“反應(yīng)臂”將被附著在機(jī)器的剩余部分并開啟操作,。納米環(huán)會(huì)沿分子鏈上下移動(dòng)直至被前方的構(gòu)建模塊擋住去路，之后“反應(yīng)臂”將從軌道上卸除這一障礙,，并將其傳送至機(jī)器上的另一位置,，激發(fā)“反應(yīng)臂”上活性部位的活力。這樣納米環(huán)就能自由沿分子鏈移動(dòng),，直到遇到下一個(gè)構(gòu)建模塊,。如此反復(fù)，就能在納米環(huán)上構(gòu)建出新的分子結(jié)構(gòu),。當(dāng)所有的構(gòu)建模塊都從軌道上移除時(shí),，納米環(huán)的去分子鏈和合成過程便會(huì)結(jié)束。
研究人員表示,，目前制造出的原型機(jī)器遠(yuǎn)沒有核糖體那般高效,。核糖體能夠在1秒內(nèi)連接20個(gè)構(gòu)建模塊，連接上限多達(dá)150個(gè),。而當(dāng)前他們僅用分子機(jī)器連接了4個(gè)模塊,，連接每個(gè)模塊更要耗時(shí)12小時(shí)。但科學(xué)家稱,，可以大規(guī)模并行推進(jìn)這樣的裝配過程,，其已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)使用百萬萬億（10的18次方）架同樣的機(jī)器并行實(shí)現(xiàn)了分子的構(gòu)建,。
戴維·利說，下一步他們會(huì)致力將更多的構(gòu)建模塊囊括其中,，以利用人造分子機(jī)器制造出更復(fù)雜的分子,，也有望打破自然和現(xiàn)有合成方式的局限，構(gòu)造出全新類型的分子,。(生物谷Bioon.com)
DOI: 10.1126/science.1229753
PMC:
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.
