如何通俗的理解 2016 年诺贝尔化学奖「分子机器」的设计合成原理及其带来的改变？

风云

2016 Nobel Prize in ChemistryThe Nobel Prize in Chemistry 2016 was awarded jointly to Jean-Pierre Sauvage, Sir J. Fraser Stoddart and Bernard L. Feringa "for the design and synthesis of molecular machines".

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原文地址：https://www.zhihu.com/question/51287816

卡卡

2016年诺贝尔化学奖颁给了三位研究分子机器的化学家，获奖理由是“分子机器的设计与合成”。他们通过有机分子合成制造了分子机器，把科幻照进了现实。如今利用可编程的生物材料——DNA，生物化学家和生物物理学家创造出具有各项功能的DNA机器。来看看这些前沿实验室里他们捣鼓出了什么，DNA机器人？他们会满足于此吗？

作者 | 尼娜·诺特曼（科学作家）
翻译 | 继省
核酸构成的机器渐入佳境。
——尼娜·诺特曼（Nina Notman）


人体内有数以百万计的分子马达以及各类“机器”——这些机器维持了我们肺部的呼吸、心脏的跳动、大脑的思考、消化系统的蠕动……“生命就是这么神奇。在生命的微观水平上，有各种各样不可思议的功能。我们了解得越多，就越想把这些功能重演出来。”哈佛大学生物化学教授威廉姆·施（William Shih）如是说。

这一领域的研究者常提起的启蒙之作，是1966年上映的科幻电影《神奇旅程》（Fantastic Voyage）。电影中有一艘潜艇，它和全体船员整体缩小后，被送入一位受伤的科学家体内，修复他的大脑。这部电影给了人们一种希望——未来某一天，人造的分子机器也可以轻松进入体内，完成药物递送、疾病诊断、手术操作等任务。分子机器还有医学之外的用途，比如作为分析工具，或是化合物合成的纳米工厂等等。

如今，用于搭建分子机器的材料有两类：其一是合成有机分子，这一领域的先驱已在2016年荣膺诺贝尔化学奖；其二是生物材料，也就是本篇专题的核心内容。

像儿童积木一样





自然界主要用蛋白质当零件来搭建分子机器，而研究者们则使用DNA。施解释道，“相比蛋白质，对DNA进行编程更容易制造出不同的形状和功能。”

DNA把遗传指令储存在由四种碱基组成的序列中，序列中腺嘌呤（adenine,A）、胸腺嘧啶（thymine，T）、鸟嘌呤（guanine，G）、胞嘧啶（cytosine，C）沿着骨架排列。单链DNA总会自动组装成双链，而且方式可预测：A与T配对，G与C配对。德国慕尼黑技术大学生物物理学教授弗莱德里希·西蒙（Friedrich Simmel）解释说，当把DNA用作“建材”时，研究者可以把DNA链上的碱基序列视为一种代码，代码规定了DNA链的一部分一定会紧贴另一部分。“我们基本可以忽略化学上的复杂性，因为所有的事情都是自动完成，简化成一行代码。”

最早想到用DNA作“建材”的人，是美国纽约大学的奈德·西曼（Ned Seeman），那是在上世纪80年代初。自那以后，一系列技术问世，用于构建各种可以想象到的DNA结构。这些技术里就包括DNA折纸（DNA origami），这是美国加州理工大学的保罗·罗斯蒙德（Paul Rothemund）的脑洞：用短链DNA作“订书钉”，把长的单链DNA折叠成复杂的三维形状。他的团队还制作了DNA瓦片（DNA tiles）和砖头（DNA bricks），这些东西可以像搭乐高积木一样组合在一起。




参考插图：乐高型DNA结构丨图源：Science

在过去几年里，DNA纳米技术的两大障碍——尺寸和稳定性——得到了突破。慕尼黑科技大学生物物理学教授亨德里克·迪茨（Hendrik Dietz）表示，在这之前，设计超过100纳米的自组装DNA结构非常困难。2017年来自加州理工的迪茨、尹鹏（译注：现任职于哈佛大学）和钱璐璐，同时公布了三种不同的策略，这才打破了这道屏障。

DNA骨架带负电荷，这意味着当折叠后的DNA彼此靠近时，它们会本能地互相排斥，导致结构散开。在实验室里，将DNA置于高度阳离子溶液就可以抵消排斥力。但是，人体并没有给DNA提供这样的理想乐园。人体内，DNA结构会遭受DNA酶的持续攻击，这种酶生来就是降解DNA分子的。迪茨解释说，“我们必须要做的，就是找到办法来稳定DNA折叠结构。这样当我们从实验的理想条件转移到实际应用时，这些结构依然能保留下来。”迪茨的团队和施的团队近期都发展出了稳定DNA结构的手段，他们利用化学交联的方法把DNA结构连在一起。“现在终于可以让这些结构在体内存在数周，或是更长时间了。”施说。

来一点儿“小摇摆”





单单是一个大型的稳定结构还不足以成为机器：所谓机器，就要能移动。西蒙提到，双链DNA类的刚性元件，加上单链DNA这样的柔性元件，这两者的混合体在布朗运动驱使下便可以四处移动。但是，让它们以高度可控的方式运动极具挑战性。

DNA的可预测和可编程属性在自组装过程中非常重要，也是DNA机器中的关键。2000年，时任贝尔实验室研究员的伯尼·育克（Bernie Yurke）和英国牛津大学物理学教授安德鲁·特伯菲尔德（Andrew Turberfield），合作揭示了首个指导DNA运动的手段：DNA-伴侣替换过程，即链置换反应。这一方法至今仍广泛应用。特伯菲尔德解释说，“这就是把双链中的某一条链整体或者一部分，用带有相同碱基序列的另一条链替换掉。”

例如，DNA步行者（walker），可以通过把双链拉开再合上的方式反复进行“伴侣”替换，使得它的“双脚”沿着一排带有互补碱基对的“桩子”上下踱步。

2017年，加州理工学院的研究者证实，DNA运输装置可以利用链置换反应分选货物。这种DNA“货物分选员”可以在某个表面上游荡，挑捡起废弃的货物，将它们分成不同的堆；像我们在家里收脏衣服一样，把有色衣服和白色衣服各放一堆。

DNA机器所行走的表面，是由单链DNA聚集而成的二维DNA折纸结构。货物则是一些包含DNA“条形码标签”的单链DNA。机器人是一条单链DNA，由三部分组成：走路的“脚”，收集运输货物的“手臂”，和阅读标签的片段。

机器人会在表面随机游走，直到撞上货物。它会捡起货物，继续游荡直到卸货点。如果货物条形码与卸货点匹配，机器会把货物从手上解开放下。“机器人清楚每个货物的去向；因为每个货物都会有一个DNA条形码，这些目的地里只会有一个与条形码匹配。”加州理工计算机科学家埃里克·温弗力（Erik Winfree）解释说。

这类机器最初得到证明，是用机器人分选带有绿色和红色荧光染色的DNA。不过，研究团队指出，DNA机器也能分选其他小分子，包括适配体（aptamer，指一类通过折叠形成特定的三维空间构型的单链核酸分子）、抗体、小分子化合物、金属纳米颗粒和蛋白质。

“能把物体从A点运输到B点是非常重要的。”施解释道，“在电子装置中，可以用电流改变机器状态。与此类似，我们可以利用物质的物理运动来完成相同的事情。”

加快进程





DNA货物分选员干活儿非常慢，把6个染料分子分成两堆要用24小时。为了加速这一过程，团队使用了多个机器人同时工作。另一种办法是让机器从A点直达B点，而不是随机游走。但是，说起来容易做起来难。为了在系统中制造前进的偏向力，有种办法是使用短链DNA（在这里也被称为化学燃料）来参与链置换反应。“这是一种设计不平衡反应网络的工具”，发明这一概念的特伯菲尔德解释说，“这是一个聪明的动力学技巧，可以使落在后面的那只脚比前面那只脚抬得更快。”

如今，施的实验室正在使用化学燃料来为驱动DNA纳米卡尺。这些纳米卡尺在大分子周围逡巡并展开测量。施表示，这些像夹子一样的工具包围在目标的不同部位，而它们在不同点覆盖目标表面需要延伸放大的倍数，如此就标示了目标在该处的长度。终极目标是用这些工具来解析大分子的三维结构，可能比现用的X射线晶体学等传统解析工具都要快。“不必再直接对分子进行成像，而是用这些小尺子去测量所有成对的点与点的距离，然后我们把这些距离数据输入进结构预测程序，程序便可以重建出分子的整体三维形状，并且深入细节。”施解释说。他正在与哈佛的同事卫斯理·黄（Wesley Wong）合作开发这个工具。

用“力”





给DNA机器加速的手段还包括：改变溶液pH值、添加离子、用光激发或是施加电场。西蒙的实验室采用了最后这种方法来控制DNA机械手臂。西蒙说，改造后的机械臂比传统DNA机器手臂运动快了10万倍。

机械臂是一束刚性DNA双链，通过单链DNA粘附在三维DNA折纸平台上。单链DNA相当于灵活的关节，使得机械臂可以相对平台旋转。由于DNA带负电荷，当系统受到电场作用时，机械臂向DNA移动。西蒙也向DNA折纸平台中引入了一系列停靠站点，以此来增加对机械臂的位置控制。平台和手臂有互相匹配的凸出短链DNA，当它们靠近时便可配对，将手臂锁住不动。

西蒙实验室证明，这一手臂可以在平台上运输有机荧光染料和金纳米杆。他解释道，这个货物运输装置可以作为工厂流水线的分子版本，由外部操作者发出指令，指导分子快速构建。

变大我吧





DNA机器的另一个潜在应用是用于控制宏观尺寸的机器人。“我的课题组正在制造可以整合传统软材料（如水凝胶）和驱动其运动的动态DNA元件的机器。”瑞贝卡·舒曼（Rebecca Schulman）说，她是美国约翰霍普金斯大学的生物分子工程教授。这些机器人尺寸在10微米到10毫米之间。

舒曼实验室的水凝胶使用DNA双链固定，而没有用传统的小分子交联剂。她说，“我们的材料包含聚丙烯酰胺，它们通过杂交DNA实现物理交联。”她的团队使用链置换反应来胀大水凝胶，将大量的发卡形状的DNA分子插入到DNA双链交联结构中，使得结构延伸，从而导致水凝胶生长。舒曼说，“这种材料生长时，尺寸的变化非常显著。我们把材料的体积放大了100倍。”

团队现在正利用这一现象，通过控制不同部位的膨大时机，来实现控制宏观尺寸机器人的运动。他们把不同种类的DNA水凝胶放在设备的不同部位上。每个水凝胶所交联的DNA双链里都包含不同的碱基序列，它们只会响应序列匹配的DNA发卡。利用这种方式，团队实现了在水凝胶“花朵”上指定“花瓣”的折叠，也制造了一只水凝胶“螃蟹”，它的触角、钳子和腿都可以响应不同的DNA发卡结构而发生弯曲。




水凝胶螃蟹丨图源：约翰霍普金斯大学瑞贝卡·舒曼实验室主页

团队的终极目标是，设计出可以响应外界刺激后自主运动的机器人。为了向这一目标迈进，团队正在设计可以释放DNA发卡的感受器，使装置可以在特定小分子的刺激下发生移动。舒曼说，“这不仅对机器人来说是很初始的一步，对控制器也是。”

自主运动装置的应用可能作为一种智能捕获装置，可以探测化学梯度并沿此移动。“拥有对远处化学信号作出反应并移动的能力，机器人就可以找到并捡拾特定类型的细胞或者碎片。这种机器人可以开展生物活检，或者保证物质表面极度清洁。”舒曼说道。

指示时间





在美国加州大学洛杉矶分校艾丽莎·弗朗克（Elisa Franco）的实验室，正聚焦于自主性DNA机器的时间控制。她解释说：“我感兴趣的是，理解如何使DNA纳米结构响应刺激后改变形状，以及如何使这种形状改变在定期内规律地发生。”

2019年，她的实验室展示了可以节律性地组装和解离的DNA纳米管。纳米管的基础材料是DNA瓦片，瓦片上有多条单链DNA。当来自于不同瓦片的DNA单链互补链配对成双链，纳米管组装开始；而当“入侵链”到来并破坏原有配对后，纳米管发生解离。之后，通过“反入侵链”来将已结合的入侵链替换掉，便可引发DNA纳米管的重组装，使得DNA瓦片再次自由形成纳米管。弗朗克说，“我们现在有纳米尺寸的单体，它们可以在几分钟内就长成微米级的管状结构。”

研究者受到了细胞骨架的启发，后者是细胞分裂过程中周期性生长的管状网络。弗朗克说，“我们想要同样的动作反复进行。”入侵链和反入侵链可以周期反复地人工添加到系统里，来控制组装和解离。但是，为了实现自主控制，团队将系统与一个合成的分子振荡器结合，利用这个振荡器调控两种DNA链的释放。

振荡器包括一个负反馈基因环路和两个酶。环路由两个分别编码入侵链和反入侵链的合成DNA基因形成；两个酶则分别是负责制造入侵链和反入侵链的RNA聚合酶，另一个是可以降解两种链的核酸酶。基因的振荡行为由入侵链和反入侵链的周期性产生和降解来驱动。

弗朗克希望，这些纳米管最终能被用到有功能的人造细胞里。她说，“此刻，我们正试着将这个系统包裹到水滴中。液滴是细胞的一种最小等价结构，我们正在研究如何搭建全由DNA组成的人造细胞骨架。”

进入工厂





DNA机器的设计师也受到了另一种细胞机器的启发——核糖体。核糖体是分子型的蛋白工厂，沿着信使RNA（messenger RNA）链移动，将氨基酸（带有转运RNA分子标签）依据信使RNA碱基序列中编码的信息，依次组装到一起。

研究者将同样的概念来指导多聚物的合成。特伯菲尔德表示，“我们和伯明翰的蕾切尔·欧雷丽（Rachel O’Reilly）团队一道，正在开发分子机器，用于基因编程的多聚物合成。”在这种设定下，人工合成的DNA链将扮演信使RNA和转运RNA的角色，合成的单体则替换了氨基酸。特伯菲尔德解释说，“我们得到了一系列不同的零件，这些零件会被与转运RNA类似的DNA识别。我们的机器由基因编程，它会识别接头（adapter）序列，把这些零件搬运到多聚物生长的场所附近，强制它们以设定好的顺序进行反应。”

这种自主的系统已经将多种天然和非天然的零件连接到了一起：使用多肽键和碳双键将零件相连，甚至不需要进行纯化。特伯菲尔德乐观预计，这一技术会在制药行业得到应用，用于快速合成大规模组合文库来发现药物前体。他们的想法是在一个反应器中，制造出由基因编程的万亿级数量分子的“一锅靓汤”，并且DNA标签依然贴附在这些分子上。这锅汤接下来会用于筛选药物靶点；一旦发现了阳性的反应，DNA标签便可用于识别引发反应的分子。

DNA已经成功地向人们证明它可以作为可编程的工程机器，然而，这一领域的很多研究者都预计DNA最终会成为过去时。它会被新的天然和人造材料所取代。这些新材料同样能自我组装，但却拥有更强更有用的功能，比如带有电磁特性。施说，“DNA在这段历史上是一个示范性的材料，我们可以用它来测试打包生命各项功能的各种想法，但最终我们还是要把花样投入到其他材料中。”

迪茨同意这一观点，“在物理学上，我们常常遵循这样一种哲学：先拿一个简单系统去尽可能学习，然后再去逐渐探索更复杂的东西。”

参考资料
1 原文：https://www.chemistryworld.com/features/dna-machines-get-a-move-on/4012993.article
2 https://science.sciencemag.org/content/338/6111/1159.full

感恩由您

此奖瑾颁给战斗在有机化学领域并致力于突围的仁人志士。。。（还在过柱子的都懂得）
虽然我认为这是近年来我能够认知中的诺贝尔化学奖最水的一次，但是也可以理解。该奖的获得可以说是有机化学和物力化学的完美联（gou）姻（he），将化学彻底带入了一个“玩”的领域。Sauvage是lehn的学生，属于非常喜欢提概念的流派，估计获奖也和lehn的影响力相关（老头钢琴弹得不错）。J. F. Stoddart和B. L. Feringa都是有机化学出身，从他们合成分子的难度和对手性的理解就不难看出（Feringa还是合成和催化大牛，学过有机的都知道Feringa配体）。这样的工作一般是早期物理化学领域的人不愿意甚至不能干的。
这个故事就丰满了：一个物理化学领域的（超分子化学属于物理化学）先驱依照老版的体系做了个简单的模型，提了一个概念，指明了方向。有机化学领域的两个牛人同时也看到了新的金矿，做个更为精巧的体系（对于昙花一现的分子机器，完全不能纳入到开创性工作）。想必他们二人也知道，如果就是follow有机传统领域，就是再牛，他们二人也是拿不到炸药奖的。如果想看看分子机器已经脑洞大开到什么程度了，不妨看看David Leign的工作。
理解：不要提什么高深的物理化学中能垒的概念，学过物理化学的人一般都懂。分子结构受pH，光和热之类刺激因素的改变可能对于一些人比较陌生，翻翻几篇文章就不难理解了，一个范式。
设计：说句实话看机缘。如今的分子机器体系基本上“专利”都属于各大派系，学术上随便做别人的东西是不好的。如果你是物理化学领域的，最好多开开会看看能不能捡漏拿过来用，或者找人合作合成（物理化学的优势是懂得表征方法以及拥有的设备比较多）；有机化学领域看看你手头有没什么体系match。专门从0开始风险大，没有表征设备一般的有机化学家也玩不转（合成的一般核磁和质谱搞定）。
带来的改变？分子机器真没啥大用，看看现在的体系就懂了。（当然，你不能把现有的通过刺激导致物化性质改变的体系都算作分子机器；当然，也会有人会说科学不能看现有贡献blabla）感觉反而被灌水灌臭了。这也是个历史问题，由于有机化学在学术领域的衰落，造成了大量有机合成资源的闲置（改个基团或者换个简单条件的就算是学术贡献的我就呵呵了；大家也可以看看这些大牛也是非常喜欢招有机化学的博士的）。分子机器真是个不错的突围方向，有合成优势，还不用筛底物。但是人多了，鱼龙混杂，所以现在的体系是玩得越来越看不懂了（好几年没有了解过了，可能有些偏颇）。按此推理，有些工作也是有拿诺奖的机会的，譬如：高分子和力化学的联姻（各种“拉”）；手性起源和力化学的联姻（vortex）之类的。
有机化学我认为是现行化学领域中最苦逼的学科了：经费少，工作量大（全合成或者筛底物的都懂的），毒性强，年纪轻轻秃头的多。这次颁奖是一个不错的突围示范。物理奖有些高大上，化学奖其实比较接地气。还是真心希望化学奖能够颁给理论有突破，实际大贡献的工作。
基本上脱离化学领域了，有感而发。

清风寡欲

今天早上看到诺奖的消息比较惊讶，因为分子机器虽然显示出人类在纳米级别对于分子的控制和编辑，但是应用前景并没有被看好。做这行就是各种开脑洞，非常有意思，就是感觉小孩玩toy，要做的fancy为主。
分子机器的设计和运行原理：
分子的运动和我们日常生活中物体的运动不一样，日常生活中物体的运动是依靠物理形变力的作用，而在分子水平上，分子的运动依赖于分子状态之间的能量差以及能量的壁垒，学术上的说法就是热力学和动力学。打个比方，一座山上有两个池塘，一个高一个低，分子就像那水，可以存在与两个地方，高池塘和低池塘，他们之间的高度差就是两个分子之间的能量，只要给足够长的时间水就会完全的从高池塘完全流到低池塘，这个行为就是热力学决定的。但是水的流速，却是由两个池塘之间连接通路的形貌决定，比方说如果直接在高池塘的底部连接歌大水管通向低池塘，那么可能半天不到就完全完成了状态转换，而如果连接的非常小的水管，那么可能得流几个月甚至更久。如果把水管堵上，那么状态转换的时间就会是无穷长的时间，山无棱天地合也流不完那种。这只是两种状态，而分子的状态却有很多种，分子机器的状态可以人为的设计更多，这决定了机器的复杂度。设计分子机器首先得在热力学上控制分子的多个状态，另外驱动分子机器就是给这些状态之间加水管，控制它们之间的转换动力学。当然另外低水塘的水也可以到高水塘，这就需要外界的出力搬运了，毕竟水不可能自己往高处跑。分子也是一样，你想让分子从低状态到高状态，就需要一直把低能量的分子搬运到高能量状态，这里消耗的能量是化学能（比方加酸加碱，给阳光，给热量等等）。搬运到高状态之后，分子又会自己落回到低状态，只要不停的提供能量持续的讲低能量状态分子搬运到高能量状态，那么分子机器就能不停的运动下去。至于设计分子电梯、火箭、起重机、马达等等，就需要你大开脑洞哇。




分子机器的设计与运行原理（复杂的分子机器可以不止两个能量状态）
获得诺奖带来的改变：
分子机器属于“基础研究”，但是又不同于传统的基础研究，我说的传统的基础研究是探索未知的自然科学规律，而分子机器的构建是基于已有的科学规律的，是一种”分子工程学的设计“。分子机器获得诺奖，必然会有更多的人涌向这个领域，原本这个领域圈子属于比较小的。之后分子机器的设计很可能会被极大的拓展开，而不仅仅限于有机化学的合成分子机器，利用这种工程学的思路，其它领域的人看能不能用手头的分子设计一个能够reversible的分子，就可以说是“分子机器了”，其中典型的生物分子，比方一些功能性的多肽，蛋白质，脂肪酸等等。尤其是DNA，简直是设计分子机器的完美分子（后面会详细说到DNA构建的纳米机器人可以走迷宫，搬运货物）。或许在遥远的将来某一天，人类可以将这些所有的分子机器组合在一起，创造出复杂度一定程度上接近自然的分子机器，如ribosome，是蛋白质和RNA构建的复杂组合体。

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下面介绍介绍DNA作为材料如何构建分子机器。
有些为DNA
分子机器鸣不公，毕竟要论对于分子机器所能实现功能复杂度的方面来看，DNA分子机器基本上是不会被超越的，分子机器的诺奖怎么着也得有DNA
纳米领域开山鼻祖ned
seeman（Ned Seeman's Home Page ）一份啊。
说说为什么我为DNA
分子机器的工作鸣不平，下面介绍下通过对于DNA的编辑实现拓扑复杂度，结构复杂度，动态机器复杂度以及一些应用，不论在哪一点都是基本上超过化学合成分子机器的。其中应用方面，目前的化学合成的分子机器几乎没有什么应用，但是DNA分子机器已经实现了智能载药选择性杀死癌细胞了。
拓扑结构复杂度的实现。
将DNA 分子通过剪辑互补配对以及通过链接酶链接的方式就可以实现各种复杂拓扑结构。下面是早期的一个实现borrean环的一个例子。



Nature 386.6621 (1997):
137-138.
最近nature chemistry报道了一个工作利用拓扑异构酶对于DNA junction的reconfiguration实现了更加复杂的多的拓扑环结构，其中Whitehead Link是首次在分子级别实现，这是化学合成目前还做不到的。



Liu, Di, et al. Nature Chem., 8, 907-914 (2016）
形貌复杂度的实现
DNA分子对于形貌上在纳米尺度的精确控制是目前其它分子很难实现的。比方下图通过DNA分子的相互杂交受限实现下面四种自装unit，然后这些unit可以自己通过剪辑互补配对识别自身从而组装形成纳米阵列结构。


                             分子阵列的实现
更进一步对于形貌控制可以通过一个叫DNA
折纸的技术实现。DNA折纸术是用大概一到两百条较短的DNA链（20-60 个剪辑）通过剪辑互补配对的方式对一个模版长单链（一般几千个碱基长）进行折叠成自定义形状。下图是设计步骤，首先你有一个目标形状，比方说一个笑脸，然后把目标形状用圆柱实现 ,因为DNA就是圆柱嘛，再用DNA双螺旋取代圆柱， 接着在DNA双链之间构件crossover，形成一条非常长的链就是模版贯穿整个结构，然后几百条短链作为staples链，有了序列就可以合成这些链啦，合成一般都是公司做，自己下订单就行。有了链，就可以把他们混在一起，做一个退火就行，结构就会自己形成。左下是纳米尺度下的笑脸结构。这些已经现在有软件了，也就是说你自己就可以用软件设计你想要的结构了。链接：welcome | cadnano， 有兴趣可以下下来玩玩，youtube上有教程教你怎么用。


                              DNA折纸术的实现步骤
不仅仅可以做笑脸，还可以有各种结构，比方下面还有莫比斯环，花瓶，圆球，花－小鸟，多面体结构。


                                          各种分子形貌结构的实现
还有下面小人结构。


                             Nature methods 8.3 (2011): 221-229.
动态分子机器人的实现
DNA做成的分子机器人现在已经算复杂了。下面是两个经典的用DNA实现的分子机器人，两篇文章同时在同一期以back-to-back在nature发表（Nature 465.7295 (2010): 202-205，；Nature 465.7295 (2010): 206-210.），上图中蓝色的是机器人，灰色是行走平台，在平台上有三个站点（每三个绿色链构成一个站点），每个站点旁边有货物（金色的纳米颗粒）需要DNA分子机器人搬运，并且可以人为的控制DNA机器人是否进行搬运操作。下图是控制分子机器人的行走方向，红色点是机器人行走起点，中间一个球（一个蛋白质）包着链就是DNA机器人，绿色是给DNA机器人规定的行走路线，路线可以认为随意编辑，结果DNA机器人会沿着规定的路线行走的。


                                  DNA分子walker
这个还不够fancy，最近出了个工作是有人用DNA自组装做成了一个纳米尺度的迷宫，下图是迷宫的形貌，后面会研究让DNA
机器人走迷宫解迷宫，这里可以研究DNA机器人最长可以走多远，走到路口的时候，怎么做决定向哪个方向行走，以及有多大的概率可以走出迷宫将。另外值得一提的另外一个对于合成机器的应用前景预测就是分子计算机，而这一点也是用DNA已经实现了的，DNA已经被证明可以成功的用于设计初步人工智能神经电路（training和testing的实现， Nature, 475:368-372, 2011）以及计算机（实现了二进制四位数开根号的运算，Science, 332:1196-1201, 2011）。


DNA 自组装形成的纳米迷宫，可以用于DNA纳米机器人在里面行走
纳米机器人用于智能载药的应用
再说说应用，一般纳米机器人大家看得较多的未来应用就是智能载药系统，这样的系统已经初步用 DNA纳米机器人实现了。比如下图中的例子，DNA
自组装形成的贝壳状的机器人，机器人内部有两个蛋白质药物，可以用于杀死癌细胞。机器人本身带有细胞类型识别的元件，可以识别哪个是癌细胞哪个是正常细胞，碰到正常细胞是关闭状态（右上），这样蛋白药物不会接触细胞，不会对细胞造成伤害。但是如果碰到了癌细胞，纳米机器人通过自身的识别元件会识别到癌细胞，并且像变形金钢一样改变自己的形状（左下），将药物暴露出来，杀死细胞。这个是已经在细胞上实现了的，发表在science上（Science 335.6070 (2012):
831-834）。



所以DNA纳米机器不仅可以实现化学合成机器的功能，并且还能做得更多。当然我在这里并不是表孰优孰劣，毕竟化学合成的分子机器在驱动上以及尺寸上都不大一样，但是能既然诺奖搬给三个做化学合成分子机器，都不给一个DNA分子机器，所以为其鸣不公。
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大力水手

更新：关于这次颁奖带来的改变。
我大致引述以下我导师在获奖后学校的新闻发布会上表达的意思，科学研究，尤其是像分子机器这样的基础研究，经费来源主要是政府机构。而当前不论是美国还是我国都有越来越重的应用导向性，这导致一些暂时看不到应用的纯基础研究的经费受到应用研究的挤压。希望这次瑞典诺贝尔奖委员会的颁奖会让政府再次重视起基础研究来。
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关于分子机器的设计理念我在之前我的两篇专栏文章里都有讨论过。
我大二的时候读了一些关于分子机器的文献，对此很感兴趣，于是就套磁了这个领域的大牛Fraser Stoddart教授，在他的帮助下我拿到了西北大学的全奖PhD录取并于2011年底加入了他的课题组。
我感兴趣的是自己设计一个能做功的分子机器体系。所谓分子机器，是指在分子级别能根据外界刺激作出类似机械运动响应的分子。而能对外做功的分子机器，一般叫做分子马达，马达之所以被叫做马达（motor），是因为能将某种形式的能量输入转化为某种我们需要的输出，即马达要做功。而之前绝大多数文献报导的分子机器都没有做功，比如我们组2004年发表在Science上的“分子电梯”（Science, 2004, 303, 1845）在交替加入酸碱时下图中红色的“电梯”因为不同位点结合力强弱随pH变化可以在三个轴臂上移动。但电梯上没有也不能运载“货物”，“电梯”上下运动时并没有做功，“电梯”运行消耗了化学能，但没有输出。



实际上，像上面“分子电梯”这样可以可逆地在两个或更多稳定态相互转化的分子被叫做分子开关，分子开关不需要做功。外界刺激下，分子开关可以在两个或多个稳态可以转化，因此可以用作分子储存器（Nature, 2007, 445, 414），或者分子逻辑门（Science, 1999, 285, 391）。



分子开关的工作原理是通过外界刺激改变分子的热力学最稳态，然后分子自发的落入能量最低处（上图）。而分子马达则不一样，做功要通过能量的输入将目标从低能态转化为高能态。宏观世界中，机器可以直接对目标做功，比如水泵直接对水做功将其它形式的能量转化为水的重力势能，相当于下图中上面一条路径。但在分子级别上我们是很难直接对单个分子进行做功操作的，一是分子太小，二是分子处在无规的热运动中，因此我们选择另一种方式，通过外界刺激连续的转换分子的状态，构建一系列精巧的动力学能垒，让分子在动力学控制下落入高势能状态。下图中的第二条路径，第一次转化，位置I的能量低于位置SM，则目标自发落入位置I。第二次转化将位置I的能量升高，虽然最初的位置SM有热力学能量最低点，但是目标回到位置SM需要跨过一道很高的能垒，这在动力学上是非常不利的，因此目标选择跨过另一边稍微低一些的能垒，进入能量低于位置I但高于位置SM的位置P。第三次转化则将势能面恢复到初始状态，目标最终就处于高能的位置P了。（Chem. Soc. Rev., 2012, 41, 19）



因此，要设计一个这样一个能将外界能量输入通过做功转化为目标的势能的分子机器，需要精心设计分子结构达到可调控动力学能垒，使得目标落入高能态。

具体的实例分析可以参见我的博士论文工作详解：An Artificial Molecular Pump - 化学札记 - 知乎专栏

清风寡欲

天然合成的分子机器的精巧程度是人类目前还没法比拟的，随便举个栗子：
ATPase


ATP Synthase反应详尽历程的视频：
Molecular Animations of ATP Synthase

ATP Synthase是一个蛋白质复合酶，是由很多个微小的、运动的蛋白质部件构成的，各部件大体上呈同心圆环状排列。结构上，ATPase分成两个部分，一个是蛋白质排列拼合成的孔道，这个孔道直接从膜内穿透到膜外。孔道的内端是另一个部件：一个轴样的旋转头。这个旋转头像钟表里的齿轮一样，有三个固定刻度。每个刻度之间角度相差120度。外部的高浓度质子“水库”产生的势能促使质子从孔道内滑落，大致每三个质子的滑落的能量会让旋转头转过120度，即一个刻度，10个质子穿过完成一个循环。这个蛋白质旋转头每次转动一个刻度，它的分子张力都让跟它接触的ATP、ADP分子化学键生成或者打破。第一个刻度处结合ADP分子，第二个刻度处俘获一个磷酸基团(Pi)并把它附着到ADP上，变成ATP，在生成这个化学键的同时锁定了能量（来自质子的滑落）。第三个刻度处打破结合键释放ATP分子。

上面这个链接是精美的ATP Synthase精细结构动态图（下部模糊部分是线粒体内膜，H+从下方涌入），你可以看见整个机械的旋转，上部转子部分在每120度处蛋白结构形状和张力改变，ADP和Pi被“吸入”，ATP被释放。每个360度循环制造3个ATP。人体内ATPase的旋转每秒大致150次，每天一个人的全身ATP更新量要超过自己的体重。当然，这些分子都是循环使用的。

这是一个自然界最微小的轮轴系统，一部细微精巧藐视所有人类技术的纳米机器。自己本身就是一条复杂而高效率的分子生产线。而且这个机器随时可以反向工作，即消耗内环境已有的ATP，把它们分解成ADP和Pi，利用释放的能量把质子泵向膜外。最初发现ATP Synthase的时候，实际上发现的是它的后一种工作状态，也因此得名。最初的发现者惊奇的是这个微小的酶工厂好像无所不在，所有真核生物的线粒体和叶绿体内膜，所有细菌的内膜上，都有基本相同的ATPase。当时的发现者说“ATP Synthase的普遍，看起来就像生命的基本粒子”。远远在化学渗透发现之前，他根本没有意识到他说得有多么正确和深刻。

（搬运一下自己的某个回复
你对于 2016 年诺贝尔化学奖的预测是什么？ - 知乎用户的回答

人类的主观创造性使我们可以在大自然的基础上进行模仿和超越，使用更加简单的结构部件，并通过利用其它能源（光能、各种形式的化学能等）而不只是氧化分解和磷酸键水解过程，即可完成与天然的分子机器类似的工作，虽然说效率尚待提高。
某种程度上，分子机器可以看做一种能量转换装置。在外来能量的存在下，分子机器可以通过机械运动可控地改变其空间相对位置，以实现特定的设计目标。
当然，在分子机器发展的初级阶段，大多数机械运动都是不受控的可逆过程，主要依赖于布朗运动来完成。后来，提出了所谓“布朗棘轮”，也即通过分子结构设计来完成统计上的单向运动（主要是转动）过程。在此之后，通过形成可逆的化学键或者光化学过程，并适当组装分子零部件，甚至可以制造一些更复杂的分子机器，比如分子小车（见下），就具备了轮胎、发动机，甚至还有悬挂系统，作者本人甚至还想加装一个倒车装置= =。。。
不细说了，详见
有哪些人除了自身主业做得好，副业也做得很厉害却不被大多数人所知？ - 成楚旸的回答






在超分子化学发展的短短几十年中，科学家现在已经根据不同的机理造出了数十种分子机器，虽然说远不及人类在宏观机械制造上的发展水平，但是已经在尽其所能控制微观分子的运动。
现在，这个领域来到了一个关键的节点：如何在现有分子机器上进行有机组合，使其可以互相搭配运行，并产生宏观可见的效应，而不只是继续探索制造新的分子马达。就像我们有了轮胎、底盘、发动机、悬挂系统和刹车系统等等，现在的需要是怎么组装成一个汽车，甚至是一个车队，而不仅仅是继续寻找更好的发动机。
在生物领域，大自然就胜于人类一筹。举一个生化过程：蛋白质转录与翻译。首先，DNA与RNA聚合酶发生自组装过程而解旋，形成的单链与对应的核糖核酸形成氢键（同样是自组装）；RNA聚合酶在沿着单链运动的同时，催化核糖核苷酸聚合形成mRNA，mRNA再与rRNA（核糖体）结合，再和tRNA依次配对，其上结合的氨基酸被依次聚合形成肽链，直到终止子为止。
至于其他细胞里面的生化过程，给一个相关视频：
哈佛大学3D动画  你细胞内正在发生的事，惊艳(中文高清)

在这些过程中涉及了大量的天然分子机器（核糖体、聚合酶等），在互相的协调配合下完成了多肽链的合成工作，而我们的正常生活也依赖于此以及之后的修饰、运输过程。但是我们甚至无法合成一个大的蛋白质，更不要说模仿其中的任何一个过程了。
某种程度上，人类本身就是大自然创造出来的高度自组装的超分子体系，而且经过数亿年的演化，多个高度可控的自组装过程连锁起来，逐渐由条件反射变成了智能，并在此基础上进一步形成了现在的生物圈和复杂的人类社会。在此之后，大自然所创造的人类反过来开始研究大自然本身，甚至如今开始慢慢地模仿大自然当时的行为——创造一个基于一些特定的自组装过程的全新的超分子体系，甚至是一个新的世界。
人类也终于开始接近所谓造物主的存在。
在制造业和生物技术领域，已经有了一定程度上的发展。例如，差点一块得了奖的David Leigh发展了一个多肽合成生产线，利用分子机器来“捡起”氨基酸并催化脱水缩合过程，最终用一千多条生产线合成了数mg多肽分子。另外还可以通过可控地改变分子构象，可以通过外来信号（比如光照）引发分子开关，进而调控药物分子释放药效的过程。
在未来的设想中，鉴于相对于现有的大规模集成电路，单分子的体积仍然极小，因此可将具有2种或者更多的亚稳态的分子密集有序排列，形成类似磁盘的高密度储存芯片，通过适当方式（激光等）进行读写和擦除等工作，这对未来的信息技术将会是一场重大变革。
同样，借鉴细胞的信息处理系统，通过类似图灵机的设计思路，通过依次释放信号分子，在分子机器的催化下，将具有接口的信息片段分子有序连接，并且在信息片段上预留部分氢键或其他分子间作用力位点，通过合适的自组装过程压缩储存，需要时进行解压缩过程并用合适的分子读取并翻译，再通过适当方式转运输出。。。（看得出来，我们穷尽智商都暂且比不过组成我们的一个小小的细胞啊QAQ）
（想到这里，人类通过大自然演化所赋予的智能制造了一个全新的存在——人工智能，而人工智能也开始通过深度学习来部分代替人类社会中的部分工作。那么，人工智能有一天会不会也像今天的人类一样，创造一个属于“他们”的世界呢？届时，人类社会又会变成什么样子呢？）
基于此，诺贝尔奖颁发给该领域的原因，大概是想作为该领域发展的一个敲门砖，以人类社会目前最受关注的科技类奖项吸引资金和人才，来推动该领域的发展，想必将会抛砖引玉，甚至可能会引发一场不亚于现今的信息技术革命的大发展。
诺贝尔奖的标准之一就是实用性，而且近年来的趋势也越来越明显，这次颁发给一个还基本停留在实验室阶段的工作确实让人难以想象。但是也许，这也是评审委员会的考量，希望通过这个奖来提高哪怕只有一段时间的关注度，并给相关领域的科研人员提供间接的便利吧。
也许，他们的现在尚不能为人所理解的远见，将在不久之后极大改变人类的生活和社会发展。我们将拭目以待。
19世纪的人们永远想象不到发电机、电动机和发动机会怎样影响20世纪人类的社会和战争形态。
20世纪的人们一样想象不到半导体、二极管和集成电路会如何改变21世纪人类的交流和娱乐方式。
21世纪的我们，也一样。
最后，突然回忆起当年法拉第和某个贵妇人的对话。
1831年，法拉第发现电磁感应现象，确定了电磁感应的基本定律。有一次，法拉第在演示他的圆盘发电机的时候，一个贵妇人讥笑他，说：“你的新发明有什么用呢？”
法拉第反问了一句：“新生的婴儿又有什么用呢？”


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哦对顺便恭喜一下某巨神学长QAQ
@成楚旸