自古以来，机械互锁就是在艺术鉴赏和工艺制造上的一个热门主题。人们的智慧促使着许多具有机械互锁结构的案例被创造出来，例如鲁班锁等。随着人们对于化学世界认知的提升，科学家开始将这一概念引入分子领域当中，合成得到了许多具有机械互锁结构的分子（MIMs）。虽然MIMs的合成在小分子领域取得了巨大的成功，然而，由于可控性相对较差，机械互锁大分子的合成仍然是个挑战。

自然界中存在中心法则这样一套独特的模板合成机制，用于高效准确地合成各种天然生物大分子，例如DNA、RNA和蛋白质等。同样受限于这种机制，这几种生物大分子大多以线型结构的方式存在。为突破这种限制，人们充分利用这种模板合成方法，并辅以各类化学手段，通过“组装-反应”协同方法实现了机械互锁生物大分子（MIBs）的可控合成。在这篇综述中，作者定义了MIBs的概念以及分类，并从DNA、RNA和蛋白质三个领域分别介绍了它们的合成以及应用。

在大分子中，可以通过定义成键阈值的方式来区别有效的键连关系，从而定义有效的空间缠结关系。在不破坏所定义的键连关系之下，仍能保留分子或分子组分间的空间缠结的大分子即可被认为是机械互锁大分子。由此，作者实现了MIB的分类（图1）。

图1. 机械互锁生物大分子的分类

DNA作为遗传信息存储的载体，由四种核苷酸单体组成，在天然状态下即可通过碱基互补配对组装形成稳定的缠结双螺旋结构。人们利用这种特性，实现了多种拓扑结构机械互锁DNA（MID）的合成。核心的思路是设计合理的碱基互补配对来创造预期的缠结方式，所合成的DNA片段通过自组装的方式形成预期的缠结结构，进而通过酶促偶联或点击化学偶联等方式实现组装体缺口的共价闭合。由此，人们成功合成了DNA纽结、轮烷和索烃（图2），以及更加复杂的奥林匹克环和雏菊链环等等。以这些MID分子作为主体，引入一些响应性基元，例如偶氮苯、i-motif等，还可以实现DNA分子机器的运作。这些分子机器不仅可以实现分子尺度的定向运动，还可以作为监测体系光传感器，甚至调控纳米粒子的可控组装。

图2. 合成机械互锁DNA的典型策略

与DNA类似，机械互锁RNA（MIR）的合成也依赖碱基互补配对实现缠结结构的形成。然而，由于RNA自身稳定性较低，组装结构难以预测，且合成方式较为复杂，目前MIR相关研究较少。仅有一些依赖于DNA辅助组装的方法合成纽结和简单链环RNA的工作见诸报道。

相比于核酸，组成蛋白质的单体扩展到了二十种天然氨基酸，折叠结构更加复杂。人们已经发现了自然界中一些机械互锁蛋白质（MIP），它们往往具有更好的稳定性，发挥一些特殊的功能。由于蛋白质折叠的复杂性，MIP的合成主要依靠对天然蛋白质缠结基元的挖掘，并结合特殊的蛋白质偶联方法（例如分离型内含肽、谍反应对等），实现“组装-反应”协同的MIP合成（图3）。这种方法既可用于多结构域MIP的合成，也可实现单结构域MIP的合成。合成的MIP具有更高的热稳定性、机械稳定性、抗化学变性能力和抗酶解能力等。因此，这些MIP可以应用于蛋白质药物，增强治疗效果，也可用于生物酶的工业催化，提高应用范围，还可以用于蛋白质材料，实现材料性质的动态调控。

图3. 合成机械互锁蛋白质的典型策略

最后，作者总结了MIB的共性，并对未来发展方向进行了讨论。作者认为，MIB领域未来应该着眼于以下几个方面：一是发展结构更加丰富多样的MIB，尤其是在蛋白质领域；二是发展更多用于表征MIB的方法，能够高效对分子的拓扑结构及其动态转变进行分析；三是更深入理解MIB的构效关系；最后是进一步拓展MIB的应用范围，将其整合进入生命系统。

论文以“Mechanically Interlocked Biomacromolecules”为题发表在《Supramolecular Materials》上，通讯作者是kaiyun体育官方网站张文彬教授，第一作者为kaiyun体育官方网站博士生王宇翔！