两个环的英寸虫运动通过偏见的布朗扩散切换到线程

Christopher R. Benson,Christopher Maffeo,Elisabeth M. Fatila,Yun Liu,Edward G. Sheetz,Aleksei Aksimentiev,Abhishek Singharoy和Amar H. Flood
国家科学院论文集(2018)
doi:10.1073/pnas.1719539115Bibtex

本文介绍了经典三体问题的分子实现,其中三个或多个物体的运动由一组成对力引导。令人惊讶的是,发现三体分子系统组件的运动被发现通过相互作用相互作用的强度差异来高度编排,从而促进了分子环的稀有英寸虫状载荷到分子螺纹上。我们的工作证明了整合方法设计和开发功能分子机的实用性。许多单个组件的协调运动是所有机器运行的基础。但是,尽管几代工程经验,但了解三个或更多耦合组件的运动仍然是一个挑战,自牛顿时代以来是“三体问题”。在这里,我们描述,量化和模拟了将两个分子环螺纹到线性分子螺纹上的分子三体问题。具体而言,我们使用电压触发的基于四嗪的螺纹的降低来捕获两个氰基级别的大环,并形成[3]伪烷乘积。由于氰层环之间的非共价耦合,我们发现螺纹是通过一个意外且稀有的Inch虫状运动发生的,其中一个环跟随另一个环。该机制源自对照组,循环伏安法(CV)痕迹的分析和布朗动力学模拟。来自两个非共价相互作用的环的CV与两个共价连接的环的CV相匹配,该环由Inchworm途径进行螺纹,并且它们与设计可通过逐步途径螺纹的大循环的CV相当大。时间依赖性的电化学提供了线程速率常数的估计。 Experimentally derived parameters (energy wells, barriers, diffusion coefficients) helped determine likely pathways of motion with rate-kinetics and Brownian dynamics simulations. Simulations verified intercomponent coupling could be separated into ring–thread interactions for kinetics, and ring–ring interactions for thermodynamics to reduce the three-body problem to a two-body one. Our findings provide a basis for high-throughput design of molecular machinery with multiple components undergoing coupled motion.