人体内的微型分子机器承担着细胞内发生的许多工作，从复制 DNA 到将物质运送到细胞膜。几十年来，科学家一直试图在体外复制这些微型机器，梦想着将它们应用于环境清理、药物输送以及疾病的诊断和治疗等任务。

但事实证明，在纸上设计人工分子机器比在现实生活中实施更容易。在《科学》杂志的一项新研究中，研究人员展示了这些机器的潜力，八年前，三位化学家因在分子机器方面的研究而获得诺贝尔奖。

研究人员表明，一种用于捕获和释放带负电的离子或阴离子的合成受体可以在自然光的推动下，使目标分子逆着溶液中的浓度梯度移动。

“这是一个概念证明，你可以使用合成受体将光能转化为化学势，从而从废物源中去除污染物，”该研究的资深作者、化学系教授兼系主任Ivan Aprahamian说。

Aprahamian 和他的合著者设计的合成三脚架状受体具有两个重要特性。它既可以捕获带负电荷的分子，也可以释放带负电荷的分子。同时，它的行为就像一个电开关，当暴露在不同波长的光下时会打开和关闭。当开关打开时，受体会拾取目标阴离子。关闭开关，受体就会释放阴离子。

该受体的不寻常特性使研究人员能够控制氯离子从 U 形管一端的低浓度溶液流向另一端的高浓度溶液。研究报告称，在 12 小时内，他们让 8% 的氯离子逆着浓度梯度穿过嵌入合成受体的膜。

从绝对意义上讲，氯离子被驱动了近 1.4 英寸——这是两端隔开的膜的宽度。相对于受体的微小尺寸，它们仅靠光就能覆盖令人印象深刻的距离。“这相当于踢一个足球，长度相当于 65,000 个足球场，”Aprahamian 说。

Aprahamian 的实验室长期以来一直专注于一类被称为腙的合成化合物，这种化合物在光照下会打开和关闭。在疫情期间，博士生邵百浩提出了增强腙受体的想法，使其在打开和关闭时既可以收集又可以释放目标阴离子。

阿普拉哈米安试图劝阻他。“我告诉他，虽然这是一个好主意，但我认为它无法与文献中其他令人印象深刻的光开关受体相媲美，”他说。“幸运的是，白浩没有理会我，而是继续设计受体。”

他们选择氯离子作为目标阴离子有两个原因。

在冬季，雨水径流中含有道路盐，导致水道中氯化物含量升高，对植物和动物造成危害。氯离子的运输对健康细胞功能也起着关键作用。囊性纤维化疾病是由细胞无法排出过量的氯化物引起的。滞留的离子会导致细胞脱水，导致肺部等器官中积聚粘稠的粘液。

“作为概念证明，我们表明设计合成氯化物泵是可以实现的，”Aprahamian 说。

研究人员发现，他们的腙受体对氯离子、溴离子和碘离子最有效。但理论上，它可以被修改以针对其他富含阴离子的污染物，包括放射性废物以及被冲入水道、造成大量区的肥料中的磷酸盐和硝酸盐。

“理想情况下，你可以在同一个溶液中拥有多个受体，并且你可以用不同波长的光激活它们，”Aprahamian 说。“你可以分别瞄准和收集每个阴离子。”

他补充说，这种受体不仅可以由可再生能源(光)控制，而且制作和修改起来也相对容易。研究人员利用“点击化学”将三脚架缝合在一起，从而制造出这种受体。“点击化学”是一项获得诺贝尔奖的技术，由化学家巴里·夏普莱斯(Barry Sharpless)于 1963 年从达特茅斯学院毕业多年后参与发明。

自然界中分子机器比比皆是，动物细胞中的分子机器由 ATP 提供动力，植物细胞中的分子机器则由太阳提供动力。“我们希望模仿这种生物过程，利用太阳光作为能源，创建自主和自给自足的过滤系统，”Aprahamian 说道。