全 文 ：生命科学
Chinese Bulletin of Life Sciences
第 20卷 第 3期
2008年 6月
Vol. 20, No. 3
Jun., 2008
构建“小”的艺术
——从分子开关到分子马达 *
Ben L. FERINGA1，柳华杰2 译述
（1 Department of Chemistry, University of Groningen, Netherland; 2 国家纳米科学中心，北京 100190）
摘　要：生物体的复杂结构和功能为我们提供了启发和挑战，即如何在分子水平构建纳米结构，并控
制它的功能。通过“自下而上”的路线，我们着重在以下方面进行了探索：组装对外界刺激具有响
应性的纳米体系，其中关键是在分子和超分子水平控制它的动态过程。分子开关是受外界刺激控制的
单元，并可作为分子存储和电子元件。本文介绍了一类受光控制的分子开关，由于光控的简单性和高
效性，此类光分子开关有望在分子水平的信息存储领域展现重要的应用价值。此外，通过将另一类光
分子开关螺吡喃与通道蛋白结合，成功实现了蛋白孔的光控开关，可以被称为“分子阀门”，对未
来的可控药物释放提供了很好的模型。分子马达是对纳米科学的巨大挑战，并将是未来分子机器的核
心组成部分。本文介绍了新型的光驱动分子马达，对外界能量的利用使马达能够进行循环的定向运动，
并且对马达分子结构的设计，能够构建出速度更快的第二代光驱动分子马达。然后，通过化学方法能
够将该马达固定在纳米颗粒以至宏观界面的表面上，马达仍然能够受光驱动而高效运行。最后，本文
展示了分子马达的一些应用，例如，马达的运动能够引起与之结合的高分子体系、液晶，甚至宏观
物体的变化。
关键词：纳米生物学；分子开关；分子马达
中图分类号：N39; TB383; Q7　　文献标识码：A
文章编号 ：1004-0374(2008)03-0350-08
毫无疑问，自然界中的生物体系，是最令科
学家惊异的系统之一。生物体对光能和化学能的精
确利用，产生了具有从纳米尺度组装特点的多级有
序结构，并通过在分子水平对能量的利用实现了其
复杂的生物功能。生物分子马达，作为重要的生物
调控工具，发挥了巨大的作用。在人体内，正是
由于存在许多独特的分子马达，才使诸如细胞分
裂、肌肉运动这些利用消耗ATP来产生热和功的生
理过程成为现实。
受自然界启发，从化学角度设计人工的分子机
器成为众多科学家追求的目标。利用化学能产生机
械运动是生物体的优势之一，也是化学家面临的挑
战。利用化学能，我们可以实现分子的运动。但
是，从分子到更高级的分子体系，如何控制它们的
运动，即复杂系统的动态过程，需要进行更多的努
力。不容质疑，我们对控制分子体系运动的探索将
为未来分子机器提供良好的模型。
在本文中，将着重讨论我们在控制分子运动方
收稿日期：2008-02-25
*原英文报告名：The art of bulding small from molecular
switches to molecular motors
通讯作者：E-mail: b.l.feringa@rug.nl
面的一些探索。首先，将从最简单的分子开关开
始，即分子如何对外界刺激进行响应；然后，将
介绍如何实现受外界刺激控制的分子马达。我们可
以看到，利用这些简单的概念，可以在从分子到宏
观水平实现广泛的应用。
1　分子开关：结构变化与功能控制
分子开关的必要条件是该分子具有双稳态，即
具有两种完全不同且可相互转变的稳定结构。对于
这样的分子，我们可以通过外部刺激来使它在两种
稳态中转变；但是，必须指出，至少在进行操纵
的时间尺度上，这种转变应是非自发的。外部的、
化学的、电化学的或光化学信号都可以作为对它的
刺激(图 1)。
351第3期 Ben L. FERINGA：构建“小”的艺术——从分子开关到分子马达
1.1　光分子开关：信息存储　微型化是当代信息
技术的追求目标，随着“自上而下”构建技术日
益接近尺度极限，Feynman提出的从分子尺度进行
“自下而上”路线是未来的发展方向。对于分子开
关来说，如果在满足存在两稳态及该两态可控转变
的基础上，能够用某种非破坏性的方法“读”出
每种状态，那么，在原理上，就可以作为二进制
数字系统的一个存储单元。利用光的操作简单等特
点，使用光来控制稳态转变的光分子开关是满足
“自下而上”路线的理想材料。
作为范例，生物体的视觉过程是光分子开关在
自然界中的模型(图 2)。从分子角度来说，视觉的
产生，第一步，实际上是由光引起蛋白质结合视网
膜分子中的双键发生了顺 -反异构；然后，由于分
子的形变，引发了一系列的级联事件，从结合蛋白
质变化到最后信号被传递到大脑。因此，对于该分
子，弯曲状的顺式结构可定义为“0”，而直形的
反式结构可定义为“1”。
受此启发，我们设计了一类对光敏感的开关分
子——挤迫型多烯(overcrowded alkenes)。该种分
子具有螺旋形结构，它们的顺 /反异构体分别代表
了右手 /左手螺旋形，这两种状态变化可以通过不
同波长的光来进行调节(图 3A)，并具有很好的可逆
性。这些特点使它们满足了二进制分子逻辑元件的
功能要求。
图 3B显示了一个这种分子对光的响应性。顺
式结构在 435nm的光照射下稳定，而反式结构则在
365nm的光照射下稳定。因此，控制它的顺 -反异
构变化可以通过简单的改变外部光波长，即 365nm
光可引起顺式到反式的转变，反之，通过照射
图1　一些具有开关性质的分子(括号内为研究者)
352 生命科学 第20卷
435nm的光，分子将从反式回复到顺式，完成一个
开关过程。从它们的圆二色光谱(图 3C)我们可以看
到，顺式和反式的谱图基本接近镜面对称，反映出
它们的光学异构性。光致开关的可逆性是另外一个
重要的问题，如图 3D 所示，在简单的光操纵下，
该分子开关能够进行许多次重复的开关过程，每次
的效率几乎 100%，对系统并没有带来任何损伤。
从该图还可以发现，对于这个分子，使用普通圆二
色光谱观测到的开关速度在秒级左右。由于响应时
间对真正应用具有非常重要的指标意义，因此，提
高开关速度是努力的方向。在另外的体系中，我们
通过飞秒光谱技术，已经成功观测到某些挤迫型多
烯分子的快速异构化现象。同时，量子产率也是一
个重要的指标，在此体系中，量子产率数值一般在
0.07－ 0.55之间。此外，通过调整分子结构，该
类开关能够实现对不同波长的光产生响应。
为了实现该分子开关的信息存储应用，必须将其
与作为存储介质的聚合物薄膜结合。结合方式可以是
简单的掺杂，也可以是分子开关与聚合物骨架的共价
连接。从理论上，一张光盘可以实现1 125 000 000 MB
容量的信息存储，相当于可以连续播放 240年的音
乐，这是相当令人震惊的。
1.2 纳米阀门　对于未来纳米器件来说，能够通
过外部刺激来实现纳米级孔的开和关是非常有意义
的。我们通过将生物膜上的通道蛋白与分子开关结
合，构建了可通过光来调控的纳米阀门。我们采用
的是 E. coli的MscL蛋白(图 4A)，在打开状态，该
蛋白中心会形成一个 3－ 4nm的孔，使离子和小分
子通过。研究表明，当引入极性或带电的官能团
后，该蛋白能够自发地打开。这对设计受控的纳米
阀门给予了启发。
我们的思路是将光分子开关与MscL蛋白结
合，利用光致有机开关的作用使蛋白的纳米孔实现
开关。我们可以将具有光切断性质的分子 10(图4B)
共价连接到MscL蛋白特定位置的一个半胱氨酸残基
上，当光照射时，该分子被切断，释放自由的羧
图2　视网膜分子结构的光致顺-反异构
图3　基于挤迫型多烯结构的光分子开关
A: 光致开关变化示意图；B: 一种此类分子对光的响应性；C: 圆二色光谱图；D: 开关的可逆过程
353第3期 Ben L. FERINGA：构建“小”的艺术——从分子开关到分子马达
为了展现可逆纳米阀门的应用前景，我们将它
构建到脂质体膜上，形成一个人工创造的可控药物
载体模型。当紫外光照射时，阀门关闭，药物分
子被包容在脂质体中；一旦照射可见光，阀门打
开，脂质体中的药物分子被释放，利用开关的可逆
特性可实现药物的多次可逆装载与释放。
2　分子马达
众所周知，分子机器最重要的组成部分应是马
达，它是将输入的能量转换成机器做功的单元。但
是，与宏观机器不同，处于分子水平的马达必须面
对布朗运动的影响。为了实现马达运动，分子马达
或者利用布朗运动，或者就要克服布朗运动对自身
的作用。在自然界，生物体中的蛋白质马达利用了
输入的能量来限制随机的布朗运动。对于人工构建
的分子马达，同样，要实现定向可控的机械运动，
必须限制随机的布朗运动。
因此，为了与布朗运动相区别，分子马达需
要满足以下的条件：(1)可控运动；(2 )消耗能量做
功；(3 )定向运动；(4 )循环性(连续性)。
2.1 光驱动的旋转马达　生物膜上的离子泵是天然
的蛋白质分子马达，做连续的旋转运动。基于挤迫
型多烯分子，我们设计运用光作为能源来驱动人工
设计的旋转马达。基于这种分子的原因，是由于它
具有与众不同的特点，首先，在光照条件下，它
的异构化速度很快；其次，它的结构中存在两个手
性元素，既有对映中心，又有分子的螺旋性，这
使得对它运动的操作非常独特。
图 5展示了我们设计的这种光驱动分子马达，
它由上下两部分通过双键连接组成，施加光和热，
上部可以在四个状态中进行 360°的循环旋转运动。
首先，通过光照，马达发生反式 - 顺式异构，上
部旋转 90°，变为一个不稳定的分子，结构存在张
力；然后，通过热交换，张力释放，同时再旋转
90°，到达另一个稳定态；再后，光照使上部再旋
转 90°，到达另一个不稳定态；最后，通过吸热，
这个不稳定态又能旋转 90°，回复到初始状态。在
整个旋转过程中，分子上部按同样方向依次旋转了
4个 90°，完成一个循环，其中两个光照过程是可
逆步，而两个热过程是不可逆的，保证旋转的单方
向性。更具意义的是，由于两个光照过程所需波长
一致，而两个热过程在环境温度大于 60℃时均能发
生，因此，如果保持在波长大于 280nm光照和环
境温度 60℃条件下，该分子马达能够持续地单方向
旋转，这是实现分子机器自动化工作的重要基础。
图4　基于MscL蛋白的纳米阀门
A: MscL蛋白开 /关示意图；B: 被连接在MscL蛋白上的光
切断性质的分子；C: 可逆开关的螺吡喃 -MscL蛋白纳米阀
门
酸分子，引起孔即阀门的打开。通过膜片钳技术可
以对阀门的开 /关进行表征。当然，由于这个体系
使用的分子被不可逆地切断，不能实现阀门的可逆
开关。
在我们随后设计的体系中，使用了具有光致可
逆开关性质的有机分子螺吡喃。如图 4C所示，螺
吡喃分子先被共价连接到每个MscL蛋白单体的半胱
氨酸残基上，在紫外光照射下，螺吡喃分子呈闭环
结构，不带电荷，因此，MscL蛋白维持在关闭状
态。然而，当可见光照射时，闭环螺吡喃结构发
生转变，C-O 键断裂，形成一个两性离子，亲水
性增强。由于MscL蛋白对电荷敏感，将导致孔的
打开。这个系统的优点在于，螺吡喃分子的开关转
变可以很简单地利用光来调控，并具有很好的可逆
性，因此，可以实现该纳米阀门的可逆开关。
354 生命科学 第20卷
图5　光驱动的分子旋转马达
对于马达状态的监测，同样可以采用圆二色光谱。
在光驱动旋转马达模型建立好的基础上，然后
需要考虑的问题是如何设计不同旋转速度的马达，
例如更快的马达。在以上所建立的体系中，两个光
过程速度非常快。因此，决定马达转速的步骤是两
个热过程。从以上马达的结构和运动步骤可以看
出，马达上部围绕中心双键运动，而下部的结构则
可能导致对上部旋转造成立体上的阻碍，由此减缓
旋转速度。根据这个原理，我们对下部结构进行调
整，设计了第二代的光驱动旋转马达(图 6)。X射线
结果表明，第二代马达的下部结构对上部旋转的阻
碍较小。通过更为精细地设计，目前最新分子马达
的转速已能达到令人惊异的每秒 50万转。
图6　第一代与第二代旋转马达结构对比
2.2 表面上的分子马达　以上讨论的分子马达均在
溶液中运动，为了实现最终的应用，将它们在表面
上固定化是必须的一步，也是一种挑战。针对这个
目标，对马达分子必须做一定的修饰，使它们能够
与固体表面实现连接。图 7展示了我们将第二代旋
转马达固定在纳米金颗粒表面的尝试。该马达的下
部延伸出两个末端为巯基的链，作为两条“腿”，
通过硫基键与金表面连接，使马达垂直固定在表面
上。由于在下部通过两条链连接，既能避免马达受
到随机运动的干扰，又能使马达上部保持自由状
态。圆二色光谱表明，与在溶液中一致，该马达
仍然能够进行光控的 360°循环转动。
同理，如果改变马达下部修饰的官能团，能
够将马达固定在其他物质表面。图 8是旋转马达在
355第3期 Ben L. FERINGA：构建“小”的艺术——从分子开关到分子马达
石英表面固定的示意图。与具有曲率的金颗粒表面
不同，马达在平面的石英表面，仅通过两条很短的
链就能实现很好的固定，并具有旋转的功能。
2.3 分子马达的功能应用　上文介绍了分子马达的
运动机理及表面上的固定，然而，最令人关心的问
题就是分子马达能否实现有价值的工作，甚至能否
将它的做功能力体现到宏观世界。
在我们的前期工作中，曾经发现在液晶材料中
掺杂挤迫型多烯分子，由于分子开关时螺旋性的变
化，能够引起液晶相的变化。据此原理，最近，
我们成功实现了由光分子马达诱导液晶相变化，再
导致微小物体发生旋转。当所使用的手性光分子马
达掺杂进液晶材料后，能诱导产生扭曲的向列液晶
相，再通过光或热使光分子马达发生异构，会引起
液晶相变化。通过原子力显微镜表征，液晶相表面
具有高度约 20nm的纹理(图 9A)。对液晶相的模型
研究表明，当光照引起掺杂的分子马达旋转变化
时，将引起液晶相的扭曲、表面织构改变(图 9B)。
图7　分子马达在纳米金颗粒表面的固定
A: 原理示意；B: 圆二色光谱表征的不同旋转状态
图8　分子马达在石英表面的固定
356 生命科学 第20卷
图9　光分子马达控制微小物体运动
A: 液晶表面原子力显微照片；B: 掺杂分子马达对液晶相变化的模型；C: 液晶表面微小物体的运动
因此，如图 9C所示，当在液晶表面放置一微小物
体(小玻璃棒)时，该物质的方向将随液晶表面织构
的改变而变化。在此例中，首先，光照引起马达
旋转，使玻璃棒发生顺时针旋转；当光稳态到达
后，热致马达异构，玻璃棒向反向即逆时针旋转，
一个循环完成。由于众多分子马达的集体做功，操
纵了比其自身大 1万倍的物体运动。
另一个例子是分子马达形成晶体后受外界刺激
发生形变。基于光色分子的光致结构变化原理，
Irie等设计了如图 10所示的有机分子，当 365nm的
紫外光照射时，分子可以由开环结构变为闭环结
构；而波长大于 500nm的可见光照射，可使闭环
分子回复到开环结构。分子的开 /闭环过程造成分
子的形变。由此，如果将该分子生长成片状单晶，
由于该晶体结构中分子堆积的特殊性，在光照情况
下，众多分子的形变会产生集体效应，导致晶片向
一个方向弯曲。先后对它照射紫外和可见光，可使
晶片发生弯曲 - 回复的完整过程，并能多次循环。
除了实现旋转和形变，对微小物体的长距离运
输是另一个值得关注的问题。利用微环境中局部产
生的气泡，我们曾经设计了一个使用化学能推动粒
子位移的体系，如图 11所示。在这个体系中，在
一个约 80µm的二氧化硅粒子上，连接了一个人工
过氧化氢酶催化剂分子，能够催化过氧化氢分子分
解成水和氧，产生的氧气泡造成二氧化硅粒子表面
张力变化，从而推动该粒子前进。
值得注意的是，上述体系虽然实现了微小物体
的运输，但由于使用的能源是具有不稳定性的过氧
化氢分子，不能广泛地推广到其他领域。在最近的
工作中，我们通过将葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶耦
连，避免了使用过氧化氢作为能源，只需要提供具
有高稳定性的葡萄糖分子，就能实现对结合物体的
推动。如图 11所示，在多壁碳纳米管上，同时结
合了葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶分子，葡萄糖氧化
酶将能源分子葡萄糖氧化产生过氧化氢，再提供给
过氧化氢酶分解产生氧气泡，推动碳纳米管移动。
这个体系不需要在苛刻条件下工作，因此，对构建
未来生物分子机器具有重要意义。
3　展望
对于构建“小”，自然界展现了许多非常复
357第3期 Ben L. FERINGA：构建“小”的艺术——从分子开关到分子马达
图10　光色分子晶体对光形变
A: 分子对光响应机理；B: 单晶片依次用紫外和可见光照射的形变循环过程
杂、强大的生物分子马达，它们参与了几乎所有重
要的生物过程，发挥了广阔的作用，同时，都是
基于蛋白质这种生物大分子基础上。与生物界相
比，人工设计的分子马达还只具有初级的、简单的
结构和功能。我们已经能够实现诸如循环运动、定
向运动、物体输送、阀门开关等功能，但是，溶
液中的布朗运动、工作的兼容性、多组分系统、能
量转换过程仍然不能进行随心所欲的控制。因此，
图11　化学能推动微小物体
A: 人工过氧化氢酶体系推动二氧化硅粒子；B: 葡萄糖氧化酶与过氧化氢酶耦连体系推动碳纳米管原理
从选择的材料、能源、体系构建等方面，人工分
子马达需要进行持续更深入的探索。另一条可供考
虑的路线是与生物大分子相结合，制造人工 -生物
结合的复合机器，例如，人工设计的 DNA已被作
为自然界不存在的生物分子马达加以应用。无论怎
样，对构建“小”的探索充满了挑战和机会，最
重要的是，这些系统将会对未来的分子机器产生巨
大的影响。