机器学习加速氧化还原电位和酸度常数计算

氧化还原电位和酸度常数作为重要的物理化学性质被应用于分析能源材料重要指标值。为了实现能源材料的计算设计,发展计算电化学的方法,在复杂电化学环境下计算这些性质至关重要。近年来,利用计算电化学方法计算氧化还原电位和酸度常数已经受到了广泛的关注。然而,常用的计算方法如基于隐式溶剂化模型的小分子自由能计算,对于复杂溶剂化环境的处理非常有限。因此,基于第一性原理分子动力学(AIMD)的自由能计算被引入来描述复杂溶剂化环境中的溶质-溶剂相互作用。同时,基于AIMD的自由能计算方法已经被证实可以准确预测这些物理化学性质。然而,由于AIMD计算效率低且计算资源需求大,需要引入机器学习分子动力学(MLMD)加速计算。MLMD通过机器学习方法,构建模拟体系结构到第一性原理计算结果的一对一映射,可以在低成本下实现长时间尺度的AIMD。对于氧化还原电位和酸度常数计算,如何构建训练机器学习势函数模型所需的数据集至关重要。本文介绍了如何通过自动化工作流实现自由能计算势函数的自动化构建,通过机器学习分子动力学计算自由能并转化为对应的物理化学性质。

基于分子机器的复合与解离构建pH响应性人工硒酶

含硒天然酶是生命体中一类重要的抗氧化酶,对于保持体内活性氧分子的代谢平衡并保护机体免受氧化损伤起到了重要的作用.对体内硒酶进行人工模拟,尤其是构建具有环境响应性的人工硒酶,能够揭示天然酶的催化机制,并拓展其在抗氧化药物开发中的潜在应用.设计并合成了同时含有硒酶催化中心和两个仲胺基团的N-乙基乙胺双硒醚分子.pH=6时,两个仲胺基团均处于质子化状态,N-乙基乙胺双硒醚分子能够与葫芦[6]脲分子(CB[6])复合从而组装形成分子机器,此时活性中心被包埋于CB[6]的疏水空腔之中,几乎不能展现出催化活性[(2.1±0.06)×10^(-5)μmol·min^(-1)·μmol^(-1)];pH=8时,仲胺基团的质子化程度降低,分子机器部分解离,活性中心被释放到溶液之中,从而能够展现出(0.31±0.01)×10^(-3)μmol·min^(-1)·μmol^(-1)的催化活性.结果表明:通过改变体系pH,使其在6和8之间变化,以控制分子机器发生复合及部分解离,成功调控了人工酶活性的关闭与开启,从而构建了具有pH响应性的人工硒酶.

构成分子机器的一种新的结构单元:三联吡啶盐的二醇合成

2-(羟乙氧基)乙基-4,4'联吡啶与α,α'-二(溴甲基)-2,2'-联吡啶在乙腈中,油浴50℃反应三天,得到标题化合物,产率为45%.中间体(1)可以通过2-(羟乙氧基)乙基磺酸酯或碘化物与4,4'-联吡啶反应得到.前者具有较高的反应活性.

基于24-冠-8大环化合物构筑的人工分子器件和分子机器

简要阐述了分子器件和分子机器的相关概念,按照调控方式分类综述了基于24-冠-8的准轮烷、轮烷和索烃大环化合物构筑的分子器件和分子机器等在超分子领域的研究进展,并展望了其研究前景.

生命及其分子机器

一、生命和生命科学生物学进入分子水平是一件完成于50年代前后,即从1945到1965年间二十年中的大事。它的发生也是顺理成章和水到渠成的。当生物学已经发展到了若无关于蛋白和核酸这两类生物大分子三维结构的确切知识几乎无法前进的时候,正好X射线晶体学和结构化学已经成长到足以来担当这项带有突破性质的任务了。当时生物学在其自身的发展中已逐渐明确:蛋白作为一类分子,既可为生物体充当构架材料,也可为生命执行各种特殊使命;DNA(去氧核糖核酸)则充当生命之蓝图,即为决定生物总体设计的分子。

分子自组装与分子机器

探讨了分子自组装的类型、影响因素以及相关的分子梭、分子开关、分子刹车和分子发动机等分子机器.

迎接分子机器

人类从不满足于欣赏,而是要创新。犹如化学在发掘天然产物的过程中,创造出了不仅在数量上,而且在性能上也超越天然的合成化合物。人类在学习生物分子机器的过程中,定将会创造出人工分子机器。令人兴奋的是这一创造已经开始。

分子机器的研究进展

结合分子机器的基本概念、合成方法、驱动方式以及研究的意义,综述了近几年分子机器的研究进展,探讨了下一步研究的发展方向.

分子机器的回顾与展望——2016年诺贝尔化学奖简介

1983年，让-皮埃尔·索瓦日将2个环形分子连接在一起形成链·并将其命名为索烃。2个互锁的环可以彼此相对移动，这是第一个分子机器的雏形。1991年，詹姆斯。弗雷泽’斯托达特制备了一种轮炕，并展示了分子轴上的分子环能够沿着轴移动。基于轮炕，他设计研发了分子电梯和分子肌肉等分子机器。1999年，伯纳德·费林加成为第一个开发分子马达的人，并且根据它设计制造出分子汽车。基于上述3位科学家在分子机器研究领域的杰出贡献，他们分享了2016年诺贝尔化学奖。

充斥细胞的纳米分子机器

分子机器种类繁多 一个小小的生物细胞中，居然充斥着种类繁多的纳米级分子机器。它们和人类制造的机器一样，由许多部件相互配合，行使着特定的功能。

基于三维DNA分子机器信号放大比率型拉曼光谱检测细胞内miRNA

构建了比率型-拉曼光谱3DDNA Walker纳米分子放大机器对肿瘤细胞标志物miRNA-21及肿瘤细胞进行检测。由miRNA-21作为3DDNA Walker的激活剂,其运动轨迹依赖于金纳米粒子的DNA高负载。3DDNA Walker触发后,由于DNA的循环信号放大作用,实现对miRNA-21的比率型拉曼光谱检测。比率型分析方法解决了分析条件的时空变化引起的信号波动,具有更高的灵敏度和可信度,此方法还可应用到肿瘤细胞的成像研究。

分子机器研究前沿

分子机器以其在微观层面上可精准操控的特点,在分子器件、纳米发动机、医疗、智能材料等领域具有重大应用价值并引起了广泛的关注。分子机器研究虽然已获2016年诺贝尔化学奖,但目前其离真正实用化还有很长的一段路要走。文章聚焦近年来分子机器在合成、表征、构建固态以及能做功功能体系等方向的研究成果,并对该领域的未来进行了展望。

利用分子机器的组装与分解构建pH敏感性谷胱甘肽过氧化物人工酶

谷胱甘肽过氧化物酶(GPx)是体内一种重要的抗氧化酶,对GPx的人工模拟能够拓展其体外应用,利用生命体内天然pH差异实现响应的pH敏感性GPx人工酶更是有着广泛的潜在应用。然而目前制备的pH敏感性GPx人工酶普遍存在活性较低的缺点,本文设计合成了同时含有高活性GPx催化中心和两个伯胺基团的乙胺单碲醚分子,酶促反应动力学的分析结果表明其二级反应速率常数高达10^(1)L·mol^(-1)·min^(-1)数量级。pH=6时,乙胺单碲醚分子能够与葫芦[6]脲分子(CB[6])组装形成分子机器,此时活性中心被包埋于CB[6]的疏水空腔之中,仅能展现出(0.04±0.02)μmol·min·μmol的活性;pH=7时,分子机器部分分解,能够展现出高达(0.35±0.06)μmol·min^(-1)·μmol^(-1)的活性。因此,通过调控体系pH在6和7之间变化,借助分子机器的组装及部分分解调控人工酶活性的关闭与开启,从而构建了高活性的pH敏感性GPx人工酶。

基于目标物循环放大和DNA分子机器的电致化学发光microRNA传感器的研究

该研究首次将DNA分子机器—DNA纳米镊子引入到ECL传感体系中,并设计构建了新型的DNA酶诱导的目标物循环放大的电致化学发光生物传感器,用于超灵敏检测癌症细胞中的microRNA。首先,目标物microRNA-21依次打开两个发夹型探针,形成"Y"型DNA结构。通过DNA酶(Pb^(2+))的剪切实现了目标物的循环放大,并得到了大量的DNA引发链。该引发链可"关闭"DNA纳米镊子,随着镊子两端的发光物质靠近而发生能量转移,钌将能量转移给量子点,因而量子点电致化学发光信号得到显著增强。在优化的实验条件下,线性范围为10 nmol/L^0.1 pmol/L,检测限为0.03 pmol/L(S/N=3)。该研究通过引入新型的DNA分子机器,拓展了DNA纳米技术在生物传感及临床诊断方面的应用,对于疾病诊断及预防具有重要的理论意义及实用价值。

无细胞多酶分子机器赋能二氧化碳的高值利用及其挑战

二氧化碳等温室气体排放导致的全球气候变暖及相应的气候灾难日益严重,开发高效二氧化碳捕获和利用 技术迫在眉睫。利用生物制造技术固定二氧化碳是合成生物学工程科学的一个重要攻关方向,其中挖掘和组装无 细胞多酶分子机器赋能二氧化碳高值利用,由于背景清晰、调控相对简单、副反应少和产率高等优点,受到越来 越多的关注。近期,JamesC. Liao教授团队人工设计和开发了新型的多酶复合分子机器,建立了用于二氧化碳固 定的闭合循环反应-还原型乙醛酸-丙酮酸合成路径 (reductive glyoxylate-pyruvate synthesis cycle),可以理论上实现 2分子二氧化碳 (碳酸氢盐) 到 1分子乙醛酸的合成反应,并设计和尝试了反应过程中监控辅因子浓度以提高酶 稳定性的策略。本文基于设计和组装体外多酶分子机器,聚焦辅因子工程以及利用多酶分子机器固定二氧化碳所 面临的挑战等角度讨论这篇工作并简述作者的相关思考。

2016年诺贝尔化学奖——分子机器的发展简史及研究进展

介绍了2016年诺贝尔化学奖,分子机器领域的发展简史、研究进展与现状、对未来前景的展望,以及这一研究领域的科学意义和启迪。

分子组装机器:纳米工厂

在2016年获得诺贝尔化学奖后,分子机器作为最具应用前景的化学领域之一而广受关注。从属于其中的分子组装机器是一种能在微观尺度上精确控制化学反应的机器,又可称为纳米工厂。本文对纳米工厂的设计思路进行简要综述,结合工作原理与实际表现分析近年来相关的研究成果,并对其研究前景与面临的诸多挑战加以陈述与总结。

分子机器在矿井救援通信应用探讨

由于井下设备需进行防火防爆的特殊处理,致使救援通信设备较矿井笨重,影响井下救援行动迅速充分地展开。分子机器应用于矿井救援系统有利于设备微型化、轻型化。本文主要论述了分子机器的发展和应用,以及井下救援系统的国内外现状和存在的问题,指出分子机器应用于井下救援系统的合理性和可行性。