納米級系統有許多潛在的應用，可以根據需要釋放分子，例如，將生物活性化合物輸送到人體的特定隔間，或分配用于工業過程的催化劑。這些通常涉及由光照射或物理參數（如pH或溫度）的變化觸發的釋放機制。在過去的幾年里，機械力已經成為釋放小分子的替代觸發因素。
近日，曼徹斯特大學Guillaume De Bo等人報道了一種分子裝置，當施加壓縮力或超聲波時，該裝置會連續釋放貨物分子，就像鐮刀一樣往下切割。
使用機械力進行分子釋放需要僅在存在外部機械刺激的情況下主動排出其貨物的系統。為此，研究人員構建了一個基于輪烷的系統，輪烷是一種由螺紋連接在長軸上的環組成的結構。對于環，作者選擇了一種稱為柱[5]芳烴的剛性五邊形分子，其軸是一條長分子鏈。因為輪烷的兩種成分沒有通過化學鍵連接，所以環可以沿著軸自由移動，軸端有一個大的止動器，防止環脫螺紋。
圖|分子的機械控制釋放
控制這種納米級的運動是具有挑戰性的。為了使用機械力使環沿著軸在選定的方向上移動，研究人員將一條長聚合物鏈連接到軸的末端，另一條連接到環上。作者還為軸配備了幾個連接點，貨物分子可以安全地系在這些連接點上，使其與輪烷一起安全運輸。當機械能——例如來自超聲波的機械能——被系統吸收時，產生的力導致長聚合物鏈延伸，沿著軸拉動環。
但這還不是全部。當環到達軸上的第一個貨物分子時，機械力會破壞系鏈，釋放貨物。然后，環繼續前進，直到到達第二個貨物單元，此時釋放過程再次開始。作者證明，環亞基對釋放過程至關重要，只有當環與貨物分子接觸時，分子才能被釋放，并具有足夠的力將其從軸上切割下來。在沒有環形部件的模型系統中，無法檢測到自由貨物的痕跡。這表明完全防止了輸送分子的不受控制的釋放。
圖|輪烷致動器的伸長導致放置在車軸上的貨物單元在被大循環推動時順序釋放
該貨物釋放系統可以被認為是一臺分子機器。當它受到機械力時，環沿著軸的誘導單向運動提供了足夠的能量來順序地解開貨物分子。只要保持機械力，該過程就會繼續，直到所有分子都從輪烷平臺上釋放出來。
圖|輪烷模型的各種幾何異構體的機械活化
研究人員觀察到，貨物釋放不僅可以在溶液中促進，還可以通過壓縮輪烷的固體樣品來促進，其效率比之前報道的機械活化系統更高。此外，每個輪烷系統可以釋放多達五個貨物分子；相比之下，先前報道的力激活分子器件通常只釋放一種。這些結果為更復雜的系統鋪平了道路，數百個這樣的多貨物系統被整合到3D網絡中，每個系統都有連接在輪烷上的長而柔性的聚合物鏈。這將使貨物在受到機械力時能夠同時從多個輪烷中釋放出來，大大增加了同時釋放的分子數量。
圖|在溶液和固體中激活多糖輪烷
研究人員還證明，他們的輪烷系統可以釋放不同的貨物，包括有機催化劑和廣泛使用的化療藥物阿霉素。后一項發現表明，這種分子機器具有機械力觸發藥物遞送的潛力。
應該注意的是，制備含有幾種貨物分子的輪烷體系仍然很困難。因此，未來的工作對于簡化它們的合成至關重要，并使它們價格合理，易于用于實際用途，尤其是生物醫學應用。盡管如此，該研究的發現代表了設計可以被外部機械力激活的高效分子機器的關鍵一步。該研究結果無疑將激勵人們進行研究，以設計更通用的機械敏感系統，從而允許更大多樣性的貨物分子的受控釋放。
參考文獻：
Chen, L., Nixon, R. & De Bo, G. Force-controlled release of small molecules with a rotaxane actuator. Nature 628, 320–325 (2024).
https://doi.org/10.1038/s41586-024-07154-0
