触媒を使用して化学を平衡から遠ざける：ブラウンラチェットの運動の非対称性、パワーストローク、およびカーティンハメット原理を関連付ける

化学燃料を燃料とする自律分子マシンは、ブラウン情報ラチェット機構によって制御される触媒駆動システムです。それらの動作の背後にある基本原理の 1 つは、分子モーターの方向性を定量化する運動の非対称性です。ただし、速度論的非対称性は通常、実験的にアクセスできないパラメーターを含む抽象的な数学用語で導入されるため、合成化学者がこの概念を分子設計に適用することは困難です。さらに、ブラウンラチェット機構とパワーストローク機構という、化学的に駆動される自律分子機械に対して、一見矛盾する 2 つの機構が提案されています。この展望はこれら両方の問題に対処し、触媒駆動の分子機構にアクセス可能で実験的に有用な設計原理を提供します。例示的な例として合成回転モーターとキネシンウォーカーを使用して、運動の非対称性をカーティン・ハメットの原理に関連付けます。私たちのアプローチは、これらの分子モーターをブラウンラチェット機構の観点から説明しますが、運動学的非対称性に影響を与える可能性のある調整可能な設計要素として、ケミカルゲートとパワーストロークの両方を正確に指摘します。運動的非対称性に対するこのアプローチが以前のアプローチと一致する理由を説明し、パワーストロークが有用な設計要素となり得る条件の概要を説明します。最後に、文献の中でさまざまな意味で使用される概念である情報の役割について説明します。私たちは、この展望が幅広い化学者に利用可能となり、分子機械および関連システムの設計と合成において有効に制御できるパラメータを明らかにすることを願っています。また、生体分子機構のより包括的かつ学際的な理解を助ける可能性もあります。

Chemically fueled autonomous molecular machines are catalysis-driven systems governed by Brownian information ratchet mechanisms. One fundamental principle behind their operation is kinetic asymmetry, which quantifies the directionality of molecular motors. However, it is difficult for synthetic chemists to apply this concept to molecular design because kinetic asymmetry is usually introduced in abstract mathematical terms involving experimentally inaccessible parameters. Furthermore, two seemingly contradictory mechanisms have been proposed for chemically driven autonomous molecular machines: Brownian ratchet and power stroke mechanisms. This Perspective addresses both these issues, providing accessible and experimentally useful design principles for catalysis-driven molecular machinery. We relate kinetic asymmetry to the Curtin-Hammett principle using a synthetic rotary motor and a kinesin walker as illustrative examples. Our approach describes these molecular motors in terms of the Brownian ratchet mechanism but pinpoints both chemical gating and power strokes as tunable design elements that can affect kinetic asymmetry. We explain why this approach to kinetic asymmetry is consistent with previous ones and outline conditions where power strokes can be useful design elements. Finally, we discuss the role of information, a concept used with different meanings in the literature. We hope that this Perspective will be accessible to a broad range of chemists, clarifying the parameters that can be usefully controlled in the design and synthesis of molecular machines and related systems. It may also aid a more comprehensive and interdisciplinary understanding of biomolecular machinery.