分子机器是通过化学反应制作出来的吗？

Rose

分子机器，指由分子尺度的物质构成、能行使某种加工功能的机器，其构件主要是蛋白质等生物分子。（百度百科）

化学家是如何设计、并制造出一个分子机器的呢？比如基本的轮烷。
是通过试剂间的化学反应做出来的吗？怎么筛选和控制呢？
原文地址：https://www.zhihu.com/question/38311173

检验医师

谢。提起分子机器，我首先想到的就是1）ATP合(成)酶与2）驱动蛋白/动力蛋白。
我觉得还是图片更生动些，所以下面会有4张图。


图1. 在微管(microtubule)上的驱动蛋白(kinesin)与动力蛋白(dynein)。微管类似铁路，驱动蛋白与动力蛋白就在上面行走并运输vesicle(囊泡，里面可能包裹了一些蛋白质分子)。


图2.原链接此图为动态图
图为驱动蛋白在细胞支架上转运囊泡，无法想象这个gif正在我身体里进行中，有种诡异的萌感（Source: Reddit jakealc1)_热点关注


图3. ATP合(成)酶的模式图


图4. 比较符合实际的ATP合(成)酶的分子图像
至于ATP合(成)酶的工作原理，在下懒，就不详细说了，给个链接
ATP合酶：一个最小的蛋白质分子转动马达，有兴趣可以自己看看。
至于题主所说的轮烷，应该是属于(高分子)化学方面的，在下偏生物学方向，对此不太了解。答得有点偏题，还请题主勿见怪。

至于是不是化学反应制出来的，我想轮烷这种应该是通过化学合成的吧，而上面举例的驱动蛋白与ATP合成酶，都是较大的蛋白质，目前化学反应是制造不出来的。不过是有可能的，生物在微观层面的本质很多也都是化学反应。目前通过化学合成是可以合成有活性的蛋白质的，不过限于技术，目前只能合成较小的蛋白质(多肽)，稍大一点的还是要通过生物合成（比如构造工程菌进行表达）。

长长的路

除了成楚旸的答案所提及的，还有利用一些具有自组装性质的小分子或聚合物分子来做分子机器。这种自组装的性质通常是由非共价键的形成造成的。例如在酸性条件下形成氢键等。
手机写的几行，等有空了就来补一些例子。

感恩由您

自然界的分子机器大多数是蛋白质组成的大分子，是大自然经过数十亿年的进化制造出来的。比如非常经典的ATP合成酶，驱动蛋白，DNA复制酶等等。
而最近二十年化学家则想在实验室里用合成的小分子来模拟一些生物大分子机器或者宏观机器的功能，被称为人工分子机器（Artificial molecular machine）。
最基本的一些可动的连接片段，比如sigma单键或者pi-金属复合物的自由旋转，双键光照下的顺反异构可用来做弯曲运动的单元，平移运动目前大多数是利用环状分子在轴上往复运动实现的，如果是两个环套在一起则可以实现一个环相对另一个环的转动。


除了这些基本的运动模式外，另一个大问题是要考虑如何控制这些运动，早期的人工分子机器是环境热驱动的无规运动，后来才慢慢发展为外界刺激响应式控制。常见的有酸碱化学控制，氧化还原电位控制和光照控制。值得指出的是，虽然自然界的分子机器大多数都是化学能驱动的，但这是建立在生物体有一套完善的物料运输循环系统可以不停的运送原料和运走废物的基础上。人工分子机器目前大多在玻璃瓶子或者材料表面运行，没有这么强大的输运系统，所以化学控制的机器如果不能实现废料的合理管理，很快就会因为堆积的副产物效率降低直至停止。相比之下，光和电驱动的要么只有构型变化，要么只有电子转移，可循环的次数可能会更多。（当然化学控制的简单好做，毕竟可逆化学反应那么多。。。）这里有三个非常经典的例子分别是化学，氧化还原和光照控制的主客体复合物结合和分离的控制反应。


人工分子机器的研究目前面临的瓶颈是如何让这些纳米机器做功，通常来说有两种思路，一个是在微观环境下通过能量输入，让分子机器将其转化为有用功将平衡体系驱离平衡态，比如用分子机器驱动某个非自发的化学反应，另一种是分子机器的聚集体在宏观上造成可观测的变化，比如将人工分子肌肉做成纤维收缩提起重物。
我这里提供两个idea，都是基于轮烷的，第一个是通过switch轮烷中环的位置与不同的端基结合实现不同的功能，比如说催化两个不同的反应（可以关注下David Leigh的工作）。第二个是通过轮烷的平移作用实现小范围内的物料运输，这个需要调控被运输物在起点和终点与大环的结合力（可以关注J Fraser Stoddart和Alberto Credi的工作）。