机器人沿着其轨道缓慢移动，有规律的暂停并伸出手臂小心地铲起一个个组成部分。手臂将组件连接到一个精心构造的机器人的背上。然后，机器人向前移动并重复此过程 -根据一个精确的设计，系统的将各部分组合在一起。

这可能是高科技工厂的一个场景 - 除了这个流水线只有几个纳米长。各组分是氨基酸，产品是一种小型肽和机器人，由英国曼彻斯特大学化学家David Leigh创建，是有史以来最复杂的分子级机器之一。

这并非个例。Leigh是正在发展的分子建筑师组织的一员，受到启发后模拟活细胞中发现的类机械生物分子- 驱动蛋白，其可以在细胞的微观骨架上迈进，或通过读取遗传代码构造蛋白质的核糖体。在过去的25年中，这些研究人员设计了令人印象深刻的大批开关、棘轮、电机、棒、圈、螺旋桨以及-可以插在一起的分子机器，就像他们是纳米级的乐高积木块。并且该进度正在加快，这要归功于改进的分析化学工具和反应，使人们更容易建立大的有机分子。

现在该领域已经到达一个转折点。“我们已经制备了50到60个不同的发动机，”荷兰格罗宁根大学的化学家Ben Feringa说。 “比起再做一台电机，我对真正使用它更感兴趣。”这一消息在六月发布，当时一个有影响力的美国戈登会议首次关注了分子机器及其潜在应用，清楚地表明该领域已经发展成熟，会议的组织者、以色列雷霍沃特的魏兹曼研究所化学家Rafal Klajn说。Leigh 说“在15年的时间里，我认为他们会被视为化学与材料设计的核心部分。”

要实现这个并不容易。研究人员必须学会如何使数十亿的分子机器协调工作来产生宏观下可测量的效果，如改变材料的形状使其用作一个人工肌肉。他们还必须使机器更容易控制，并确保它们可以进行无数次操作而不会断裂。这就是为什么该领域许多人不希望第一个应用程序涉及复杂的结构。相反，他们预测分子机器的基本组成部分将在不同科学领域中使用：例如，作为可释放靶向药物的光激活开关，或者作为可以储存能量或根据光进行扩大和收缩的智能材料。这意味着分子架构师需要接触那些可能从他们的机器部件中受益领域的研究人员，Klajn说。“我们必须说服他们这些分子是非常激动人心的。”

梭子发射

今天的许多分子机器追踪他们的起源都来自现在伊利诺伊州埃文斯顿西北大学的化学家Fraser Stoddart于1991年创建的一个相对简单的设备。这是一种轮烷的排列，其中一个环状分子被拧到一个“轴”上，每一端有一个线状分子被笨重的螺栓帽覆盖。在这个特定的轴里面，朝向链的两端，是两种可以结合到环上的化学基团。Stoddart发现环能在这两个站点之间跳来跳去，创造了第一个分子梭子。

到1994年，Stoddart修改了设计，使轴有两个不同的结合点。该梭子存在于溶液中;改变这种液体的酸度迫使环从一个站点跳到另一个，使该梭子变成可逆开关。类似的分子开关有一天可以用于响应热、光或特定的化学物质，或者打开一个纳米级容器的舱口，在恰当的时间传递药物分子并精确地送达人身体的正确位置。

Stoddart的切换显示出两种可以在紧随的分子机器中一次又一次地出现的特性。首先，环和轴的结合位点之间的联系并不是强大的原子结合成分子的共价键。相反，在两个部件中略带正面和负面的区域间是相对较弱的静电吸引。这意味着，结合键可以容易地形成和破裂，很像压缩和解压两条DNA链的氢键链接。第二，梭子的来回穿梭并不需要外部能源。它们通过与溶液中其它分子的碰撞供电，一个称为布朗运动的拥挤效应。

其他大量的开关紧随其后。有的被光控制或随温度变化，而其他的通过从溶液结合特定离子或分子，以类似细胞膜中离子通道的工作方式根据化学信号进行打开或关闭。

然而，Stoddart的研究方向不同。与James Heath一起在帕萨迪纳的加州技术学院工作，他用数以百万计的轮烷制备了一个存储设备。夹在硅和钛电极之间，该轮烷可以从一个状态切换到另一个，并用于数据记录。这种分子算盘，大约13微米跨度，包含16万位，每个由几百轮烷组成 - 大约每平方厘米100千兆位的密度，可媲美目前最好的商业硬盘驱动器。

用表现最好的24位，Stoddart的团队存储和检索了字母“CIT”（加州理工学院）。但开关不是很健壮，通常使用不到100次就破裂。一个有希望的解决办法是将它们加载到被称为金属有机骨架（MOFs）的强硬、多孔晶体上，这可以保护开关并将其组织成精确的三维阵列（参见Nature520，148-150;2015）。

今年早些时候，加拿大温莎大学的Robert Schurko和Stephen Loeb，表明他们可以将约1021个分子梭子堆积成一立方厘米的MOF。上个月，Stoddart公布一个包含可切换轮烷的不同MOF。该MOF安装在一个电极上，并且轮烷可以通过改变电压来全体切换。

正在研究这些MOFs的研究人员希望3D固体支架可以提供一个比常规硅晶体管更大密度的开关，并且以可控的方式使分子更容易切换，有可能提供大量的数据存储。 “以科幻的方式来思考这，是把每个分子看作一点，”Loeb说。但他说更现实的是，将包含数百个开关的MOF可以作为一个位。他说，只要大多数的开关正确的运行，他们就能可靠的编码全部数据。

其他人使用轮烷制备可切换催化剂。在2012年，Leigh描述了轮烷轴中间有一个氮原子的系统（通常覆盖一个环）。添加酸，环移动到一侧，露出氮原子，以便它可以催化常见的化学反应。更进一步：去年十一月，Leigh报导了一个具有两个不同的催化位点的轮烷系统。将环从一个移动到另一个，使得化学家可以转换轮烷的活性，这种分子的混合物就可以以两种不同的方式拼接在一起。Leigh正致力于把几个不同的可切换催化剂放到相同的溶液中，在那里它们可以被打开和关闭，以一定序列来将目标分子构建成复杂的产品，与细胞中酶的方式大致相同。

纳米发动机

1999年，早期的梭子和开关试验之后，随着第一个合成分子马达的创立，该领域向前迈进了一大步。它是由Feringa团队创建，单分子，含有两个相同的通过碳 - 碳双键连接的 “桨”单元。它将桨叶固定在合适的地方，直到一阵光打破了键的一部分，使桨叶发生旋转。最重要的是，桨叶的形状意味着他们只能在一个方向旋转 - 只要有光线和一些热量的供给，电动机就会一直保持旋转。

Feringa继续使用相似的分子马达来创建四轮驱动“纳米汽车”。他还表明，马达可以给予液晶足够的扭转力以缓慢旋转位于其顶部的玻璃棒。该杆为28微米长 - 电机的几千倍大。

一些化学家认为虽然这些电机很可爱，但他们自己最终没什么用。“我一直对人造电机有点怀疑 - 他们制备太难，也很难扩大规模，”德国慕尼黑的路德维希·马克西米利安大学的一个化学家Dirk Trauner说。

但其背后的化学原理可能非常有用。使用相同的光活化机制，研究人员已经开发出大约100种类药化合物，可以响应光进行打开或关闭。

例如，今年七月，Trauner领导的一个团队报道了可光切换版本的康普立停A-4，一种带有一些严重副作用的强效抗癌化合物，因为它不加区别地攻击肿瘤细胞和相似的正常组织。该团队的切换药物可大大减少全系统的副作用：它含有氮-氮双键，保持该分子的两个部分分开并使其无效。只有在蓝光下双键断裂并允许截面旋转成分子活性的形式。 Trauner说，利用通过柔性管或植入装置输送的光，一个仅有10微米宽的组织区域可以以这种方式被特异性锁定。 Trauner正在计划小鼠研究，以测试化合物对癌症的有效性。

他还希望利用光开关化合物来恢复患有黄斑变性或视网膜色素变性病人的视力，即损伤眼的感光杆和视锥细胞的条件下。 “这是唾手可得的 - 因为它在眼睛里，你不必担心它如何获得光，”他说。去年，他发现将一种名为DENAQ的光切换分子注射到瞎眼老鼠的眼睛里，几天内可部分恢复他们的视力，使得动物可区分光明与黑暗。该小组目前正在尝试将相同的技术应用到灵长类动物，并希望在两年的时间开始人体试验。

Trauner和Klajn都认为主要的挑战将是说服谨慎的医药行业该光切换药物是具有潜力的，虽然他们在人类身上还没有任何记录。 “我们需要让医药行业对光-制药业感到兴奋，”Trauner说。 “一旦他们看到价值，我们将呈现良好的状态。”

一往无前

早在生物进化到在陆地上移动之前，细胞把腿作为他们细胞机制的一部分。主要的例子是双叉的蛋白质被称为驱动蛋白，当它们沿着细胞微管僵硬的脚手架运输分子货物时，它将一只脚放在另一只的前面。

受到驱动蛋白的启发，研究人员利用DNA建造了人工步行者。通常这些分子的脚通过与DNA的结合互补链结合，而被固定到一定的位置上;加入竞争的DNA链可以将脚释放，允许它向前迈步。其中最显着的例子是2010年纽约大学的Nadrian Seeman给出的。他的DNA步行器有四个“脚”和三个“手”，当它在折叠DNA制成的瓦片上到处移动时，利用手脚可以拿起黄金纳米粒子。

如果没有内置棘轮机构阻止他们倒退，DNA步行者（和不久之后由其他实验室创建出来的变体）会漫无目的的游荡。对于许多步行者，棘齿在于结合和释放他们脚的化学反应的相对速率，利用布朗运动的连续碰撞驱动释放的脚往前移动。

在过去的几年中，详细的化学研究和分子动力学模拟表明，这种“布朗棘轮”概念为所有化学驱动分子机器包括很多生物发动机奠定了基础。例如，在2013年，密歇根大学安娜堡分校的化学生物学家Nils Walter领导的团队，发现在剪接体（一种在遗传信息翻译成蛋白质前剪除RNA片段的分子机器）中有同样的机制。“驱动蛋白使用它，核糖体使用它并且剪接体也使用它，” Walter说。

这表明生物机器和人工合成的分子机器都遵循同样的原则，因此，在这两个领域工作的研究人员可以共享知识。 “总的来说，现在他们还是非常不同的领域，” Walter说。 “我认为如果我们都坐在同一张桌子上，下一个突破就到来了。”

火箭科学

与此同时，受1966年宗教电影神奇旅程的微观医疗潜艇的启发，化学家们创造了微米大小的粒子和管道，可以像火箭一样快速通过液体。

这些马达的部分携带了一种催化剂，可以通过从周围的液体中形成气泡流来产生推力-通常为过氧化氢。其他的直接从光或来外部的电场和磁场获得动力，这也可以用来操控舱体。 “这些纳米发动机每秒可以行使超过自己的长度1000倍的距离，这是令人难以置信的，”加州大学圣迭戈分校纳米工程师Joseph Wang说。他认为，最有前景的应用在于快速药物传输，或低价清理环境污染物 - 尽管该领域许多人担心目前分辨纳米马达是否将胜过传统方法还为时过早。

过氧化氢，一种强大的氧化剂，几乎不可能在体内使用。 “当所有的工作都是基于过氧化物时就出现了很多的疑点，” Wang认。但在去年十二月，他报告了一种适合于在活的动物体内测试的微型马达。由大约20微米长的塑料管制成，它含有一个锌的芯，可以与胃酸反应产生推进的氢气气泡。

该管安全地在老鼠的肚子里穿行了约10分钟。王用它们来运载金纳米粒子进入胃周围的组织;服用纯纳米颗粒的小鼠在结束时，他们胃壁上的金比服用管的小鼠少三倍。

王认为，在火箭上装载药物或成像化合物可以迅速和有效的将他们传输到胃组织。 “在未来五年，我们将进行实际的体内应用，”他说。“这真的是神奇的旅程。”

目前，在这些火箭和分子机器研究之间的很少有交叉。 “但我们可以带来很多”Klajn说。例如，他假设将光敏感分子开关喷涂到一个微电机上，可以对其运动提供额外的控制。

给它打气

在他们打造分子机器的过程中实际上可以做一些有益的事，研究者们开始将几个不同的组件集成到一个单一的设备中。今年五月，Stoddart推出了一个人造分子泵，从溶液中拉出两个环状分子到存储链上。每个环滑过在链一端的塞子，被吸到可切换的绑定点。轻弹开关推动环沿着这条链远远越过第二个阻碍，在那它到达一个固定区域（见“纳米机器”）。

该系统并不能推动任何其他类型的分子，并且它的打造需要经历大量的试验和错误。 “这是一条漫长的道路” Stoddart感叹到。但它证明了分子机器可用于浓缩分子，以与生物通过迫使离子或分子形成浓度梯度来构建势能仓库相同的方式，推动化学系统失去平衡。 “我们正在学习如何设计一个能量棘轮，”他说。

Stoddart说，这样的发展能使该领域朝两个主要方向前进：保留纳米，赋予机械一些不能以其他任何方式完成的分子水平的工作;或者去宏观，将万亿个小机械一起使用来重塑材料或移动大的货物，就像蚂蚁的军队。

或许纳米方法的主要例子是Leigh的分子装配生产线。受核糖体的启发，它基于一个可从其轴部拾取氨基酸并将它们添加到生长的肽链上的轮烷系统。但该设备可以具有宏观的应用。超过36个小时， 1018个系统一起工作可以产生几毫克肽。 “它没有做任何你不能在实验室半小时内做的事情，” Leigh说。 “然而，这表明，你可以有一台在轨道上移动，可拿取分子构建模块并把它们放在一起的机器。” Leigh正在研究其他版本的机器，来制备具有量身定制材料特性的有序聚合物。

相反，万亿个分子机器在一起工作可以改变宏观世界材料的特性。例如，根据光或化学品而膨胀或收缩凝的凝胶，可以作为可调透镜或传感器。 “在未来的五年里，我敢打赌你会得到第一种智能材料，里面有整合的开关，”Feringa说。

轮烷样分子已经开始看到商业应用。日产划痕保护iPhone的案例，于2012年推出、基于东京大学Kohzo Ito的工作，是由穿过了连成数字8形的桶形环糊精分子对的聚合物链构成。一个正常聚合物涂层上的压力将打破链之间的连接，留下划痕。但环糊精环就像滑轮系统的车轮，使聚合物链滑行通过而不断裂。该薄膜甚至可以保护脆弱的屏幕免受锤子的持续击打。

对于Stoddart，这表明通过分子建筑师开发的组件的应用已经成熟。 “这一领域已走过了很长的路，”斯托达特说。 “现在我们必须开始展示它是有用的。”

新材料在线编译整理——翻译：王晶晶    校正：摩天轮