深海鱼之光：超分子光驱动机械的前沿突破

“海洋与湿地”（OceanWetlands）小编注意到，一支由魏茨曼研究所、坦佩雷大学、波兰和英国的研究团队组成的国际化学团队成功开发了一种超分子光驱动机械，受到深海鱼眼睛的生物启发，成功开发了一种超分子光驱动机械，通过低能红光将可光切换分子从稳定状态转变为亚稳态。这一研究成果发表在《Science》期刊上，为能量存储、药物激活和传感应用提供了崭新的工具。

据tuni.fi的报道，该技术具有快速、高度选择性和高效的切换特性，为能量存储、光控药物激活和传感应用提供了新的工具。研究利用生物演化的原理，通过仿效深海鱼的天线状分子，成功将这一机制扩展到合成材料中，展望未来在软体机器人和光激活的药物输送系统中的应用。为助力全球环境治理、为我国学者提供信息供决策参考，编译分享信息如下，供感兴趣的读者们参阅。

图片来源：Science期刊

深海鱼启发的超分子光驱动机械的突破性研究

生物为什么拥有复杂的视觉系统？视觉系统是经过数百万年演化而变得高度复杂的。为了使视觉在整个可见光谱范围内都变得敏感，大自然采用了一种超分子化学方法。视觉色素顺式视黄醛在捕获光子时，会改变其形状。这种形状转变伴随着周围蛋白质的超分子组织的变化，随后触发一系列化学信号事件，最终在大脑中引发视觉感知。

领导这项研究的Rafal Klajn教授解释说：“一些深海鱼已经演化出类似‘天线’的分子，能够吸收红光波长范围内的光子，而在深海的光线几乎为零。吸收光子后，这种天线分子将其能量传递给附近的视黄醛分子，从而诱导其从顺式视黄醛变为反式视黄醛。在合成系统中，这样的过程可以利用低能量光进行能量存储或受控药物释放的应用。”

受到这一现象的启发，研究人员开发了一种卓越的超分子机械，能够高效地将广泛使用的合成可光切换分子——偶氮苯——从稳定构象转变为亚稳态构象，几乎可以使用可见光谱范围内的任何波长。这一方法包括一个金属有机笼，其中填充有一个偶氮苯分子和一个吸光分子，即敏化剂。在超分子笼内，一些在正常条件下不会发生的化学过程变得可能。

在坦佩雷大学进行的时间分辨光谱研究表明，触发异构化的光化学过程发生得超级快速，处于纳秒级别，几乎比你眨眼的速度快了10亿倍。研究小组的Tero-Petri Ruoko博士解释说：“一旦你照射光线到这个超分子笼上，它几乎会将所有的顺构异构体迅速转变为反构异构体。只需简单混合组分和与敏化剂吸收谱相匹配的光，就足以使这个机械工作。”

智能光子材料研究组的领导Arri Priimägi教授表示，这项研究提出了一种利用低能光激活光响应分子的新方法，通过在约束条件下进行的化学反应使它们脱离热力学平衡。

毕竟，深海鱼的眼睛的演化，历经了数百万年。受此启发，由Rafal Klajn领导的研究小组在不到5年的时间内，将这些概念扩展到了合成材料中。Priimägi教授总结道：“我们已经在着手下一代光驱动的超分子机械，旨在将所开发的方法应用于软体机器人和光激活的药物输送系统。”

意义

以往，偶氮苯光异构化需要紫外光的限制。该研究通过超分子方法实现了可见光下的异构化，为光催化和光药理学等领域的应用提供了新的可能性。

【思考题】学而时习之

Q1: 在我们的日常生活中，是否有其他生物进化的机制能够激发科技创新？你能想到哪些自然界的奇迹可能成为未来科学研究的灵感来源？

Q2：这种仿生技术对未来医学和药物研发有何潜在应用？它是否可能成为创新药物释放系统的核心？

Q3：考虑到这一研究背后的深海演化历程，你是否认为人类通过学习自然界的智慧，能够更好地保护地球资源，创造更环保的技术和解决方案？这种生物启发的研究对可持续发展的重要性是什么？

编译 | 王芊佳

审 | 绿茵

排版 | 绿叶

【参考链接】

1.原文参见：Julius Gemen, Jonathan R. Church, Tero-Petri Ruoko, Nikita Durandin, Michał J. Białek, Maren Weißenfels, Moran Feller, Miri Kazes, Magdalena Odaybat, Veniamin A. Borin, Rishir Kalepu, Yael Diskin-Posner, Dan Oron, Matthew J. Fuchter, Arri Priimagi, Igor Schapiro, Rafal Klajn. Disequilibrating azobenzenes by visible-light sensitization under confinement. Science, 2023; 381 (6664): 1357 DOI: 10.1126/science.adh9059

2.A deep-sea fish inspired researchers to develop supramolecular light-driven machinery
https://www.tuni.fi/en/news/deep-sea-fish-inspired-researchers-develop-supramolecular-light-driven-machinery