研究进展：Nat Nanotech/Phys，分子机器、催化，2篇权衡Trade-offs
生物分子机器Biological molecular machines，使化学转化、组装、复制和运动成为可能，但最独特的是，使化学系统失去平衡，以维持生命。在这样的过程中，纳米大小的机器，驱动吸能平衡反应，产生分子能量载体。然而，将人造纳米机器所做的工作，转化为化学能，仍然极具挑战性。
今日，荷兰格罗宁根大学Michael Kathan和Ben L. Feringa团队在Nature Nanotechnology上发文，报道了一种轻燃料的小分子棘轮，它能够在能量上驱动耦合的化学平衡。通过用分子马达桥接两个亚胺大环，该机器形成交叉，并因此通过热（临时键解离）或光化学（单向旋转）途径，采用几种不同的拓扑结构。前者将使机器向全局能量最小值驰豫，而后者将系统中的交叉次数增加到平衡值以上。该研究方法，将为分子机器执行的连续机械运动与化学转化耦合，以达到非平衡状态提供了蓝图。
图1：AMM±N的工作原理。
图2：AMM±N的序列特异性、光驱动缠绕机制。
图3：AMM±N在不同缠绕状态下的核磁共振谱。
图4：AMM±N的解旋机理和热稳定性。
图5：AMM±N的能量、结构和工作机制。
从酶复合物到代谢偶联细胞，催化颗粒，在不同长度尺度的许多生物系统中，进行空间组织。尽管在不同的规模上操作，这些系统都具有涉及部分受阻扩散传输的局部反应，这是由催化剂的集体排列决定的。然而，不同排列如何影响反应和传输动力学之间的相互作用，在很大程度上仍未被探索，这最终决定了通过反应途径的通量。今日，慕尼黑工业大学Ulrich Gerland团队在Nature Physics上发文，报道了两个基本的权衡，第一个，是在催化剂间有效传输和底物消耗之间，第二个，是在中间产物空间限制和催化剂对底物可及性之间。利用模型反应途径，系统表征这些权衡相互作用中，出现的催化剂排列，并得出其一般设计原则。研究发现，最优催化剂排列问题，有效地推广了著名的汤姆逊静电学问题。
图1：模型示意图。
图3：不同局域化策略。
图4：基底屏蔽和中间体限制之间的权衡。