曼徹斯特大學Nature：一個具有讀取功能的分子棘輪

【導讀】

談起信息處理，人們都會想到圖靈機Turing machine，而細胞是以一種類似圖靈機器的方式處理信息，自動從分子磁帶讀取數據并將其轉換為輸出。已有研究證明了可衍生螺紋聚合物的隨機加工大環催化劑，以及將構建塊從分子鏈依次轉移到生長低聚物的輪烷。然而，能夠讀取和/或寫入存儲在人造分子磁帶上的信息的合成小分子機器仍然難以捉摸。

【成果掠影】

近日，曼徹斯特大學David A. Leigh教授課題組報道了一種分子棘輪，在這種棘輪中，冠醚（“reading head”）通過化學燃料脈沖從溶液中泵入編碼的分子鏈（“tape”）。進一步的燃料脈沖通過一個能量棘輪機制將大循環傳輸到帶的一系列隔室中，然后將其釋放回遠離鏈的另一端。在其定向運輸過程中，冠醚根據沿途結合位點的立體化學改變構象。這使得編程到磁帶中的立體化學信息序列，可以通過變化的圓二色性響應以非破壞性的方式作為一串數字讀出。這一概念通過讀取帶有平衡三進制字串（“trits”）的分子磁帶來證明?1,0,+1 和?1,0,?1分子帶。小分子棘輪是一種有限狀態自動機：圖靈機器的特例，它通過字符串編碼的狀態序列向一個方向移動，根據占用的機器狀態給出輸出。相關成果以“A tape-reading molecular ratchet”發表在Nature上。曼徹斯特大學David A. Leigh為論文通訊作者。

【數據概況】

圖1:用化學燃料分子棘輪對立體化學編碼分子帶序列的手側讀出。

圖2:通過3沿分子帶1(編碼?1,0，+1)和2(編碼?1,0，?1)逐級棘輪操作形成的無螺紋組分和機器狀態的CD光譜。

圖3:分子帶1(編碼為?1,0，+1)的脈沖驅動讀取。

【成果啟示】

總言之這預示著可以利用大環聯芳基單元的構象變化來改變催化化學反應的立體化學結果，這樣分子棘輪就可以像從磁帶上讀取信息一樣將信息從一種形式轉錄到另一種形式。這將是一個完全合成分子系統中與核糖體轉錄相關的機器功能，其執行方式讓人聯想到圖靈最初描述的能夠進行任意計算的自動機器。它利用人造納米機器沿分子磁帶的動力定向運動，為信息的讀取和最終寫入開辟了道路。

參考文獻：Ren, Y., Jamagne, R., Tetlow, D.J. et al. A tape-reading molecular ratchet. Nature (2022).

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05305-9