Motor proteins and other biological machines are highly efficient at converting energy into directed motion and driving chemical systems away from thermodynamic equilibrium. But even though these biological structures have inspired the design of many molecules that mimic aspects of their behaviour, artificial nanomachine systems operate almost exclusively by moving towards thermodynamic equilibrium, not away from it. Here the authors show that information about the location of a macrocycle in a rotaxane—a molecular ring threaded onto a molecular axle—can be used, on the input of light energy, to alter the kinetics of the shuttling of the macrocycle between two compartments on the axle. For an ensemble of such molecular machines, the macrocycle distribution is directionally driven away from its equilibrium value without ever changing the relative binding affinities of the ring for the different parts of the axle. The selective transport of particles between two compartments by brownian motion in this way bears similarities to the hypothetical task performed without an energy input by a ‘demon’ in Maxwell’s famous thought experiment. Their observations demonstrate that synthetic molecular machines can operate by an information ratchet mechanism, in which knowledge of a particle’s position is used to control its transport away from equilibrium.
モータータンパク質などの生物学的な機械は、エネルギーの定方向運動への変換や、化学系の熱力学的平衡から離れる方向への駆動を非常に効率よく行う。これらの生物学的構造体から着想を得て、その挙動を模倣する多くの分子が設計されてきたが、人工ナノマシン系はむしろ、ほとんどの場合、熱力学的平衡から離れるのではなく、熱力学的平衡に向かって動くことによって機能する。今回著者らは、環状分子の環部分を軸分子が貫通した構造のロタキサン中での環の位置に関する情報を使って、光エネルギーの注入により軸上の2区画の間を環が往復する運動を変更できることを示す。こうした分子機械の集合体では、軸の異なる部分に対する環の相対的結合親和力を変化させることなしに、環の分布がその平衡値から離れる方向へと駆動される。このような、2区画間でのブラウン運動による粒子の選択的輸送は、マックスウェルの有名な思考実験の「悪魔」がエネルギー入力なしに行う仮想作業に類似している。著者らの観察は、粒子位置の知見を使って平衡から遠ざかるように粒子輸送を制御する情報ラチェット機構によって合成分子機械が動作しうることを示している。