在人类社会中，机械旋转无处不在：从电风扇的叶片，到汽车引擎的轴承，转动构成了现代工业的基本运动方式。那么，在分子世界中，是否也可以构建出“会转动的机器”呢？
答案是肯定的。过去几十年，科学家们成功合成出一类“分子马达”，这些微观机器能够在特定条件下发生方向明确的旋转。其中最著名的当属荷兰化学家Ben Feringa团队开发的光驱动分子旋转器，他们甚至因这一成就获得了2016年诺贝尔化学奖。
不过，这类系统通常依赖光照或特殊酰化–水解反应作为能源，实用性和能效仍有限。近日，来自英国布里斯托大学的研究团队提出了一种全新的策略：他们让一个简单的联苯类分子在酶的控制下、借助氧化还原反应，自主地进行持续、定向的旋转。这一成果于2025年7月16日发表在自然杂志《Redox-powered autonomous directional C–C bond rotation under enzyme control》。这一新的发现不仅拓展了分子马达的设计思路，也首次在实验中直接验证了单键旋转的方向性控制。
构建一个“化学马达”的思路
那么，如何让一个分子“像马达一样旋转”呢？
研究人员以联苯（由两个苯环通过一个C–C单键相连）为基础构建了一个模型分子。这个分子的“上半部分”带有两个对称的羟甲基（–CH₂OH）官能团，而“下半部分”则为固定不动的酚环，相当于“静子”。
关键在于构建一个“非平衡反应网络”，即在分子内部设置一个反应循环，其中包括：
- 氧化反应：将一个羟甲基氧化为醛（–CHO），由酶催化，具备“对映选择性”（对右手型和左手型构象反应速度不同）；
- 还原反应：使用氨硼烷（H₃N·BH₃）将醛还原回羟甲基，此过程不区分手性。
如此构成一个“来回循环”的红氧反应网络——就像一个齿轮装置，来回之间可以产生偏向的旋转。
但一个巧妙的现象在于：在氧化还原循环过程中，部分分子发生了180°旋转——两个羟甲基换了位置，而整个分子的化学结构却“表面看不出变化”。这相当于你把一个对称的方向盘转了半圈，但它还是那个方向盘，只是你手的位置变了。
通过持续的循环，其中一部分分子不断以这种方式“偏向”地旋转，于是整个分子群体中便出现了净向旋转的趋势。
酶的选择性，是转动的关键
如果说氧化–还原是马达的燃料系统，那么酶的“选择性”就是它的方向盘。
本研究使用了名为ADH 291的酒精脱氢酶作为氧化催化剂。该酶能选择性地氧化其中一个构型的分子，而对另一个则“视而不见”。这种偏好性成为了马达“只往一个方向转”的核心动力来源。
通过进一步设计同位素标记的分子（在关键位点引入氘D原子），研究人员发现，在酶作用下氧化产物中不同位置的氘分布极不对称。这就如同在旋转的方向盘上放上荧光标签，观察它如何转动——他们首次以实验数据直接证明了旋转的方向性。
结果表明，在48小时反应中，每个分子平均实现了2.35圈的360度旋转。虽然听起来不快，但在毫微尺度，这已是惊人的“机械效率”。
小小马达，可能改变未来？
你也许会问：让一个分子转几圈，有什么用？
事实上，这一类研究正是纳米技术未来的核心之一。构建可靠、可控的分子机械，不仅可以模仿细胞内蛋白马达的运作方式（如肌动蛋白、动力蛋白等），还可能在以下方面带来突破：
- 智能药物输送系统：按需释放药物的“分子开关”；
- 纳米发电或化学能转化器件：高效率的能源微反应器；
- 人工分子肌肉：为未来的软体机器人提供驱动单元；
- 自组装材料：用旋转控制物质的有序结构或手性构型。
此外，与传统依赖光驱动或化学加成的系统相比，本研究首次证明氧化还原反应也可以成为分子马达的燃料来源，而这种反应类型广泛存在于生命体系中，因此具有良好的生物兼容性。
科学的边界：探索原子之间的“运动学”
回望整个研究，从合成一个对称分子，到构建一个精密的酶催化循环网络，再到通过氘标记测量旋转方向，布里斯托大学团队完成了一个几乎像“钟表制作”般精密的化学装置。他们的成果证明：即使在分子尺度上，只要能量流动非对称，就能产生宏观可感的“方向性”运动。
而正是这些微小的变化，正推动着我们对自然界的理解不断深入。未来，当这些“会转的分子”被集成到更复杂的系统中，它们或许就能构成真正的“纳米机器军团”——从体内药物运输到人造分子工厂，我们已然站在了微观运动世界的门槛上。
