https://doi.org/10.1038/s41586-024-07154-0
تاريخ الاستلام: 28 مارس 2023
تم القبول: 2 فبراير 2024
نُشر على الإنترنت: 10 أبريل 2024
الوصول المفتوح
(T) تحقق من التحديثات

الجزيئات المتشابكة، مثل الروتاكسان، مناسبة تمامًا للعمل كمنشطات قوة نظرًا لقدرتها على الحركات ذات السعة الكبيرة. تم استغلال هذه الخاصية لإنشاء حساسات قوة قائمة على الروتاكسين غير القابلة للقص. لقد أظهرنا مؤخرًا قدرة الروتكسين على التأثير في التفاعل الميكانيكي الكيميائي لمكافئ ميكانيكي مدفون في محوره. ، وأظهر كيف يمكن لمشغل الروتكسين تعزيز تفاعلات الفتح عن طريق تعزيز القابلية الميكانيكية للرابطة التساهمية في المحور . في الوقت نفسه، تم ربط الروتاكسانات المستجيبة للمؤثرات مع البوليمرات لأداء مهام كيميائية متنوعة استنادًا إلى هذه المفاهيم، نقترح هنا استخدام بنية الروتاكسان لإطلاق عدة شحنات من الجزيئات الصغيرة في آن واحد (الشكل 1أ، الشكل البياني الممتد 1 والفيديو التكميلية 1). يتم تنشيط الروتاكسان ميكانيكيًا بواسطة وسيط من سلسلتين بوليمريتين متصلتين بمحور الروتاكسان والدائرة الكبيرة، على التوالي (انظر “التصميم”). ستقوم القوة التمددية بسحب الدائرة الكبيرة نحو حجرة الشحن، حيث تتوزع جزيئات الشحن (كرات زرقاء؛ الشكل 1أ) على طول المحور. يؤدي الاتصال القوي بين الدائرة الكبيرة وهذه العقبات الاستيركية إلى إطلاق متسلسل لهذه الجزيئات عبر الانقسام الميكانيكي الكيميائي للروابط التساهمية التي تربطها بالمحور.

تصميمنا يعتمد على بنية الروتكسين (1، الشكل 1أ) المبنية حول عمود[5]أرين (P5) حلقة ماكرو مثقوبة على سلسلة ألكيل C12، ممتدة من جانب واحد مع بوليمر بولي (ميثيل أكريلات) (PMA) ومن الجانب الآخر مع أوليغومر يحمل الحمولة (حجرة الحمولة). سلسلة PMA أخرى متصلة بحلقة P5 لتمكين التفعيل الميكانيكي لهذا التجميع. تم اختيار هذه الدورة الكبيرة لطبيعتها الصلبة والأنبوبية، حيث إن دورة أكبر أكثر مرونة ستفضل انقسام المحور (فتح السدادة). وحدات الشحن ( -ثلاثي فينيل ميثيل ماليميد، 2، تم اختياره بسبب حجمه الستيري) تم تحميله على وحدات الفوران من أوليغومر الحمولة عبر تفاعل ديلز-ألدير. عند الشد، يتم سحب الماكروسيكل على طول حجرة الحمولة حتى يصل إلى أول ناتج تفاعل ديلز-ألدير، الذي يعمل كحاجز، حيث أن هذا الماكروسيكل الصغير غير قادر جسديًا على تجاوز هذه العقبة الستيرية دون كسر رابطة تساهمية (الشكل 1أ). سحب الماكروسيكل أكثر ضد الناتج في النهاية يحفز تفاعل ديلز-ألدير العكسي (الشكل 1أ) الذي يحرر وحدة الحمولة. . هذه هندسة التنشيط، حيث يتم دفع الميكانيكوفور (المنتج الناتج من تفاعل ديلز-ألدير) بدلاً من سحبه (الشكل 1أ، المربع الأيسر)، فريدة من نوعها في بنية الروتاكسين. تتكرر هذه العملية مع الماكروسيكل

مركب ديلز-ألدير. تركيب الروتاكسينات الحاملة للشحنات عبر آلية تبادل السدادات. الظروف: (i) العائد: ; (ii) -تاج-6، أسيتون، درجة حرارة الغرفة، 16 ساعة، العائد: انظر المعلومات التكميلية؛ (iii) ميثيل أكريلات، سلك نحاسي، تيرين، DMSO. الأسهم الحمراء تشير إلى اتجاه القوة.
يتم سحبها على طول حجرة الشحن حتى تخرج (الشكل 1أ). يتم إطلاق ما يصل إلى خمس وحدات شحن مع الروتكسين، .

تم الحصول على الروتاكسانات الكبيرة الجزيئات المركزية السلسلة من خلال بلمرة الجذور الحية بنقل إلكترون واحد. من ميثيل أكريلات الذي يبدأ من كل من الدائرة الكبيرة ومحور الروتاكسان (الشكل 1ب). هذا يضمن أن الروتكسين موضوع في المنطقة المركزية
سلسلة، التي تتعرض لأكبر شدة من القوة أثناء السونication (انظر أدناه) تم تجميع المحفزات الروتاكسين وفقًا لاستراتيجية تبادل السدادات حيث يتم أولاً إنتاج الروتاكسين المنشط (7) عن طريق تغطية المركب الشامل الذي يتكون بين المحور ومشتق P5 مع مجموعة 3,5-ثنائي (تريفلوروميثيل) بنزين سلفونيل (BTBS)، والتي تعتبر أيضًا مجموعة مغادرة ممتازة . استبدال BTBS بحمض الكربوكسيليك الذي ينهي حجرة الحمولة، تم تجميعه بواسطة كيمياء النقر التكرارية (تقدم حجرات الحمولة الثلاث والخمس نسبة صغيرة (عادةً

أقل من 6%) من وحدات الفوران غير المحملة بعد التجميع (المعلومات التكميلية))، يوفر المبادر الروتاكسان 8.

نظرًا لأن الماكروسايكل P5 له شكل أسطواني تؤدي تشكيل الروتكسين إلى وجود متماكبات حيث تكون البوليمرات إما على نفس الجانب أو على جوانب متقابلة من الروتكسين، والتي تُسمى cis و trans على التوالي. تم تأكيد الهوية من خلال طيف تأثير أوفرهاوزر النووي في الإطار الدوار (قسم المعلومات التكميلية 4.3). وبالمثل، يمكن أن ينتج تفاعل ديلز-ألدير الذي يربط الحمولة بالمحور كل من المتماكبات endo و exo للمنتج (المعلومات التكميلية). حيث يمكن أن تؤثر هندسة هذه الميكانيكوفورات بشكل كبير على تفاعليتها الميكانيكيميائية. ، قررنا استكشاف تأثير هذين المصدرين من الإيزومرية قبل تجميع جهاز روتاكسين متعدد الحمولة (الشكل 2). الإيزومرات الأربعة الممكنة للروتاكسين 9 (متوسط الوزن الجزيئي التشتت “; انظر قسم المعلومات التكميلية 5.11 للحصول على التفاصيل)، والذي يحتوي على وحدة شحن واحدة، تم تنشيطه ميكانيكياً بواسطة الموجات فوق الصوتية (الشكل 2أ)، وهي تقنية يتم فيها توليد تدفقات تمددية في محيط فقاعات التجويف المت collapsing. تمت مراقبة تقدم التفاعل بواسطة كروماتوغرافيا الفصل حسب الحجم (القسم التكميلية 6.3) وتم تحديد كفاءة إطلاق الحمولة بواسطة كشفت طيفية الرنين المغناطيسي النووي، من خلال مقارنة تكامل القمم التشخيصية للمنتج الناتج عن تفاعل ديلز-ألدير (القمم أ، ب، ج؛ الشكل 2ب) وتلك الخاصة بوحدة الفوران التي ظهرت بعد إطلاق شحنة المايلاميد (القمم الشكل 2ب). أثبت الإيزومر المتحول من الروتاكسان 9 أنه المحرك الأفضل، حيث قام بتنشيط كل من المضافات الداخلية والخارجية بنفس الكفاءة (71% تحويل؛ الشكل 2أ)، لذا قررنا المضي قدمًا مع هذا.

الموجات الصوتية، جنبًا إلى جنب مع المركب المرجعي (iii) ، تشير إلى تنشيط مركب ديلز-ألدير وإطلاق شحنة المايلاميد. ج، جزئي الرنين المغناطيسي النووي (400 ميجاهرتز، الأسيتون- طيف مستخلص الميثانول بعد الصوتنة (i)، جنبًا إلى جنب مع المركب المرجعي 2 (ii).
إيزومر لتجميع الهياكل الأكبر. يمكن استرداد جزيئات الحمولة عن طريق استخراج بقايا البوليمر بعد الصوتنة باستخدام الميثانول (قسم المعلومات التكميلية 6). تحليل هذا المستخلص بواسطة تؤكد مطيافية الرنين المغناطيسي النووي (NMR) إطلاق الحمولة، لا سيما مع وجود قمة الأليفين المايلاميد (القمة D؛ الشكل 2c). كما تم تأكيد تحرير الماكروسيكل من المحور بعد إطلاق وحدة الحمولة بواسطة طيف الرنين المغناطيسي النووي (قسم المعلومات التكميلية 6.5).

ثم سعينا لاستكشاف قدرة مشغل الروتاكسين لدينا على إطلاق جزيئات وظيفية (الشكل 3). اخترنا ثلاث جزيئات نموذجية (دواء، علامة فلورية، وعامل عضوي محفز)، والتي تمثل التطبيقات المحتملة في المجالات الطبية (إطلاق الأدوية، ووسم الجزيئات) والمواد (تقرير الأضرار، والشفاء الذاتي) لجهاز إطلاق يتحكم فيه القوة. في الحالة الأولى، قمنا بإضافة وحدة الحمولة الكبيرة من المايلاميد لدينا مع رابط ببتيد فالين-سيترولين، الذي يتصل بالدواء عبر فاصل بارا-أمينوبنزيوكربونيل ذاتي الإزالة. تُستخدم هذه البنية عادةً في مركبات الأجسام المضادة-الأدوية لأنها تعتمد على الإفراط في التعبير عن الكاتيبسين ب في الخلايا السرطانية، وهو بروتين محلل سيستين ليزوزومي، لتحفيز سلسلة الإطلاق. كإثبات للمفهوم، اخترنا تحميل الشحنة بالدُوكسوروبيسين، وهو عامل كيميائي علاجي قوي واسع الطيف. ، الذي يتم إصداره بكفاءة في الحل. لقد اخترنا -(1-بيرينيل)ماليميد، وهو مجس فلوري شائع ، كعلامة جزيئية لإظهار أن المحرك الروتاكسان يمكنه استيعاب حمولات بأحجام وأشكال مختلفة. تم وضع علامة على نموذج ثيول (ثيول الدودكان) في الموقع عند الإفراج الميكانيكي عن غير الفلوري -(1-بيرينيل)ماليميد لتشكيل

المنتج الفلوري المتوافق. أخيرًا، إطلاق كاتيون التريتيلي، وهو حمض لويس خفيف معروف بأنه يحفز التفاعلات الدائرية وإعادة الترتيب. يُظهر بشكل أكبر تعددية استخدام آلية الروتكسين لنقل جزيئات الشحن المتنوعة من خلال آليات تفكك متنوعة.

قمنا بتنشيط الروتاكسينات ميكانيكياً و (الشكل 1ب) محملة بخمس وثلاث وحدات شحن، على التوالي، في المحلول بواسطة الموجات فوق الصوتية (الشكل 4أ-ج). السلوك الميكانيكي لهذه الأنظمة الأطول أكثر تعقيدًا، حيث يمكن أن تصل الحلقة الكبيرة إلى نهاية حجرة الشحن أو تتوقف في مكان ما على طول الطريق (على سبيل المثال، بسبب تقطيع الروابط المتنافسة؛ انظر أدناه)، مما يؤدي إلى إطلاق كامل أو جزئي لشحنة الحمولة، على التوالي (الشكل 4أ). تقطيع الروابط المتنافسة في أحد سلاسل PMA، أو في محور الروتاكسين (فتح السدادة) يمكن أن يحدث ذلك أيضًا في أي مرحلة؛ في كلتا الحالتين، لا يمكن إطلاق المزيد من جزيئات الشحن حيث لم يعد الروتاكسين في المنطقة المركزية من البوليمر، أو يتم فقدان الهيكل المتشابك.
بشكل كامل (الشكل 4أ). تم تعريض المحاليل المخففة من هذه البوليمرات للموجات فوق الصوتية حتى يحدث على الأقل قطع واحد (رابطة تساهمية أو ميكانيكية) في السلسلة الرئيسية (أي حتى يتم ملاحظة كان أقل من نصف البداية ; قسم المعلومات التكميلية 6). أثبت الانقسام غير الانتقائي في سلسلة PMA، الذي تم تحديده من كمية الروتاكسين السليمة المتبقية بعد السونication (قسم المعلومات التكميلية 8)، أنه المسار الرئيسي لهذه الروتاكسينات الأطول (عادة أقل من وأقل من لـ ثلاث وخمس حمولات من الروتكسينات، على التوالي؛ الشكل 4c وقسم المعلومات التكميلية 8.7)، في حين أن انقسام المحور هو مسار ثانوي جداً (عادة أقل من ; قسم المعلومات التكميلية 8.7). تشارك بقية الروتاكسينات في عملية إطلاق الحمولة. حيث أنه من الممكن التمييز بين المنتجات المضافة الداخلية والنهائية لديلز-ألدير/مجموعات الفوران بواسطة من خلال مطيافية HNMR (الشكل 4ب)، تمكنا من تحديد مدى إطلاق الحمولة في هذه المواقع بشكل منفصل. يظهر تكاملها النسبي (الشكل 4ج) أن معظم الدورات الكبيرة التي تشارك في إطلاق الحمولة (أي التي لا تتعرض للقطع غير الانتقائي؛ المسار الأيسر في الشكل 4أ) قادرة على الوصول إلى نهاية حجرة الحمولة وتسليم الحمولة بالكامل، بكفاءة إطلاق تصل إلى و لشحنات الثلاث والخمس

الشكل 4 | تنشيط الروتاكسينات متعددة الحمولة في المحلول والكتلة. أ، يمكن أن يؤدي التنشيط الميكانيكي للروتاكسينات متعددة الحمولة إلى إطلاق جزئي أو كامل لشحنة الحمولة. يمكن أن يحدث قطع غير انتقائي إذا انكسر الروتاكسين في المحور أو في أحد سلاسل PMA. ب، جزئي أسيتون- طيف الروتاكسين قبل (i) وبعد (ii) الصوتنة، جنبًا إلى جنب مع المركب المرجعي S22 (iii)، تشير إلى تنشيط المنتجات الناتجة عن تفاعل ديلز-ألدير الداخلي والنهائي.
معلمات الهيكل والتنشيط لروتاكسينات تمثيلية ذات حمولة واحدة وثلاث حمولات وخمس حمولات. نسبة القطع غير الانتقائي تجمع بين قطع PMA وقطع المحور. الخطأ النسبي في القطع غير الانتقائي وإطلاق الحمولة. ، انظر القسم التكميلي 8.7 للحصول على البيانات الكاملة وتفاصيل الحساب. د، يؤدي التنشيط بالضغط في الكتلة إلى إطلاق الحمولة في شبكة متشابكة. الشرط: (ط) ضغط يدوي (0.74 غيغاباسكال، أقل من 60 دقيقة لكل دورة، دورات).
تظهر كفاءة الإطلاق انخفاضًا واضحًا مع زيادة طول حجرة الحمولة، ولكن، نظرًا لأن الحلقة الكبيرة لا تُلاحظ أنها تتوقف في منتصف الطريق (كما تم مناقشته أعلاه)، فمن المحتمل أن يكون الانخفاض في الكفاءة ليس قيدًا جوهريًا من مشغل الروتاكسان؛ قد يكون هذا بسبب تكوين بوليمرات أقل تحديدًا عندما يتم بدء البلمرة من مثل هذه الجزيئات الكبيرة. في هذه الحالة، من غير المرجح أن يكون الروتاكسان موجودًا في مركز السلسلة، التي تتعرض لأعلى شدة من القوة أثناء السونication، ويصبح الانقسام غير الانتقائي لسلسلة PMA هو السائد. . كما استكشفنا تأثير طول البوليمر ( على تفعيل الروتاكسان ذو الخمسة حمولات وتأثير محتوى الإكسو/إندو (الغني بالإكسو إلى الغني بالإندو) على الروتاكسان ذو الثلاث حمولات (قسم المعلومات التكميلية 8.7). لم نجد أي تأثير لطول البوليمر على كفاءة إطلاق الحمولات، لكن الروتاكسان الغني بالإندو يظهر تحويلًا أفضل (44%) من نظيره الغني بالإكسو (29%).

تمت عملية تفعيل الكميات الكبيرة من الروتاكسينات ذات الحمولة الواحدة أو الثلاثة أو الخمسة عن طريق ضغط عينة صغيرة (حوالي 30 ملغ) من البوليمرات. و على التوالي، باستخدام مكبس يدوي (0.74 جيجا باسكال، أقل من 60 دقيقة لكل دورة، 10-45 دورة؛ الشكل 4c، d). على الرغم من عدم وجود روابط تساهمية،
مما سيؤدي إلى تنشيط أكبر تمت ملاحظة كمية كبيرة من إطلاق الشحن في هذه الشبكات المتشابكة (أكد بوليمر التحكم غير المتشابك الطبيعة الميكانيكية للتفعيل؛ قسم المعلومات التكميلية 7.2)، على الرغم من أنها كانت إلى حد أقل مما كانت عليه في المحلول عند نفس مرحلة ما بعد التفعيل. (الشكل 4c). هنا مرة أخرى، يمكن استرداد جزيئات الحمولة عن طريق استخراج بقايا البوليمر بعد الضغط باستخدام الميثانول (قسم المعلومات التكميلية 7). يتناقض تنشيط الكتلة مع تجارب المحلول من حيث النسبة الأقل من الروتكسينات التي تطلق كامل حمولتها؛ أي أن عددًا أقل من الدوائر الكبيرة يمكن أن تصل إلى نهاية حجرة الحمولة الخاصة بها. يمكن تفسير ذلك بقدرة الشبكة على توزيع الضغط التوتري، وحقيقة أن الروتكسينات قد تكون موجودة في منطقة ضغط منخفض من الشبكة. ومع ذلك، فإن إمكانية الإفراج عن ما يصل إلى تحميل الشحنة عبر العينة (مع نظام الشحنة الواحدة) أو حتى خمسة جزيئات شحن في نفس الموقع (مع نظام الخمس شحنات) يضع أنظمتنا بين الأفضل في آليات الإفراج الجزيئي التي تتحكم فيها القوة التساهمية. ويقدم وعدًا كبيرًا لإطلاق المركبات النشطة في مجموعة متنوعة من السياقات.

لقد أظهرنا إطلاق الجزيئات الصغيرة تحت السيطرة بالقوة باستخدام مشغل روتاكسين حيث إن الحركة الناتجة عن القوة لـ
يؤدي الماكروسايكل على المحور إلى تنشيط وإطلاق متتابع لشحنات الجزيئات الصغيرة. تتيح بنية الروتاكسان التشغيل التكراري للميكانيكوفور القابل للقص لأن البوليمرات المشغلة غير مرتبطة مباشرة بالميكانيكوفور. هذه البنية فريدة أيضًا في الطريقة التي تنشط بها الميكانيكوفورات، حيث تعتمد على هندسة الدفع بدلاً من السحب. لقد أظهرنا أن مثل هذا الجهاز الجزيئي يمكنه إطلاق ما يصل إلى خمس وحدات شحن لكل سلسلة سواء في المحلول أو في الكتلة. كفاءة تنشيط تصل إلى تم تحقيق ذلك بكميات كبيرة، مما يضع جهازنا بين أفضل أنظمة الإفراج التي يتم التحكم فيها بالقوة التساهمية التي تم تحقيقها حتى الآن. علاوة على ذلك، لقد أظهرنا تعددية هذا الجهاز المحرك من خلال إطلاق ثلاث جزيئات وظيفية تمثيلية (دواء، علامة فلورية، ومحفز عضوي) ونتوقع أنه يمكن إطلاق تنوع أكبر من الحمولة. بالإضافة إلى ذلك، يوفر مثل هذا النظام إمكانية إطلاق وحدات حمولة مختلفة في تسلسل محدد. يجب أن تمهد تعددية وكفاءة محرك الروتاكس الطريق نحو أنظمة إفراج أكثر تعقيدًا يتم التحكم فيها بالقوة.

أي طرق، مراجع إضافية، ملخصات تقارير Nature Portfolio، بيانات المصدر، بيانات موسعة، معلومات إضافية، شكر وتقدير، معلومات مراجعة الأقران؛ تفاصيل مساهمات المؤلفين والمصالح المتنافسة؛ وبيانات توفر البيانات والرموز متاحة فيhttps://doi.org/10.1038/s41586-024-07154-0.

ملاحظة الناشر: تظل Springer Nature محايدة فيما يتعلق بالمطالبات القضائية في الخرائط المنشورة والانتماءات المؤسسية.

الوصول المفتوح: هذه المقالة مرخصة بموجب رخصة المشاع الإبداعي للاستخدام الدولي 4.0، والتي تسمح بالاستخدام والمشاركة والتكيف والتوزيع وإعادة الإنتاج في أي وسيلة أو تنسيق، طالما أنك تعطي الائتمان المناسب للمؤلفين الأصليين والمصدر، وتوفر رابطًا لرخصة المشاع الإبداعي، وتوضح ما إذا كانت هناك تغييرات قد تم إجراؤها. الصور أو المواد الأخرى من طرف ثالث في هذه المقالة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة، ما لم يُشار إلى خلاف ذلك في سطر الائتمان للمادة. إذا لم تكن المادة مشمولة في رخصة المشاع الإبداعي الخاصة بالمقالة وكان استخدامك المقصود غير مسموح به بموجب اللوائح القانونية أو يتجاوز الاستخدام المسموح به، فسيتعين عليك الحصول على إذن مباشرة من صاحب حقوق الطبع والنشر. لعرض نسخة من هذه الرخصة، قم بزيارة http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
(ج) المؤلفون 2024

انظر المعلومات التكميلية للحصول على طرق وبروتوكولات مفصلة.

تم إضافة البوليمر المناسب (20 ملغ) إلى خلية ساسليك وتم إذابته في . تم إزالة الغاز من المحلول عن طريق فقاعات خلاله لمدة لا تقل عن 10 دقائق قبل بدء الموجات فوق الصوتية وطوال التجربة. تم تبريد خلية ساسليك باستخدام حمام ثلجي طوال مدة الموجات فوق الصوتية للحفاظ على درجة حرارة تقارب داخل الخلية. تم تطبيق الموجات فوق الصوتية النبضية على النظام ( إيقاف، السعة ( )، 20 كيلو هرتز) للفترة الزمنية المطلوبة. بعد الموجات فوق الصوتية، تم تبخير المذيب وتم تحليل البوليمر بواسطة كروماتوغرافيا الفصل بالحجم وNMR. تم استرداد البوليمر بعد الموجات فوق الصوتية وغسله بـ MeOH لاستخراج أي جزيئات صغيرة غير مرتبطة بسلاسل البوليمر. ثم تم تحليل البوليمر الذي تم غسله بـ MeOH والمغسولات المركزة لـ MeOH بواسطة NMR.

تم تشكيل البوليمر المناسب ( ) في شكل كروي خشن باليد. تم وضع المادة بين السندانين لقرص KBr القياسي بقطر 13 مم. ثم تم تطبيق قوة ضغط قدرها 10 أطنان؛ مع ضغط المادة، تم تخفيف الضغط تدريجياً عن طريق إعادة ترتيب المادة بحيث، على مدار ساعة، تم التأكد من أن 10 أطنان من القوة كانت تُطبق باستمرار. ثم تم تحرير الضغط وتم إعادة طي المادة المسطحة إلى كرة جديدة. تم تكرار هذه العملية الدورية من الطي تليها الضغط على مدار ساعة حتى أظهرت كروماتوغرافيا الفصل بالحجم
تحليل المادة تقليصًا كافيًا في . في هذه المرحلة، تم إذابة المادة في ثنائي كلورو ميثان وتم تصفيتها بعناية ( غشاء بولي تترافلورو إيثيلين) لإزالة أي جزيئات معدنية قبل تكثيفها في الفراغ. تم تحليل مادة البوليمر الخام بواسطة NMR قبل أن يتم تجفيفها تمامًا ويتم غسل فيلم البوليمر مباشرة بـ MeOH. تم جمع مغسولات MeOH وتحليلها بواسطة NMR جنبًا إلى جنب مع مادة البوليمر المغسولة نفسها.

البيانات التي تدعم نتائج هذه الدراسة متاحة ضمن الورقة ومعلوماتها التكميلية، أو متاحة من مستودع بيانات figshare (https://figshare.com) تحت https://doi. org/10.6084/m9.figshare.25053494.

الشكر: نشكر مجلس المنح الدراسية الصيني (CSC) وجامعة مانشستر على منحة دراسية (إلى L.C.). يتم تمويل R.N. من خلال جائزة تعزيز الجمعية الملكية. G.D.B. هو زميل بحث جامعي في الجمعية الملكية.

مساهمات المؤلفين: خطط L.C. وR.N. وأجروا العمل التجريبي. وضع G.D.B. المشروع وأدار البحث. ساهم جميع المؤلفين في تحليل النتائج وكتابة المخطوطة.

المصالح المتنافسة: يعلن المؤلفون عدم وجود مصالح متنافسة.

المعلومات التكميلية: تحتوي النسخة الإلكترونية على مواد تكميلية متاحة على https://doi.org/10.1038/s41586-024-07154-0.
يجب توجيه المراسلات وطلبات المواد إلى غيوم دي بو. معلومات مراجعة الأقران: تشكر Nature آن-سوفي دوويز والمراجعين الآخرين المجهولين على مساهمتهم في مراجعة الأقران لهذا العمل. تتوفر معلومات إعادة الطبع والأذونات على http://www.nature.com/reprints.

الشكل الممتد البيانات 1| تصوير كرتوني لإطلاق الجزيئات الحمولة تحت السيطرة بواسطة مشغل روتاكسين. عند إطالة الراتكسين، بواسطة وساطة سلاسل البوليمر (خيوط رمادية رقيقة)، يتم سحب الدائرة الكبيرة (بني فاتح) على طول حجرة الحمولة حتى تصل إلى أول جزيء حمولة (كرة زرقاء)، والذي يعمل كحاجز حيث لا يمكن للدائرة الكبيرة تجاوز هذه العقبة الاستيركية دون انفصالها. سحب الدائرة الكبيرة أكثر يؤدي في النهاية إلى إطلاق وحدة الحمولة الأولى. تتكرر هذه العملية بينما يتم سحب الدائرة الكبيرة على طول حجرة الحمولة، مما يؤدي إلى إطلاق جميع جزيئات الحمولة وهروب الدائرة الكبيرة.

https://doi.org/10.1038/s41586-024-07154-0
Received: 28 March 2023
Accepted: 2 February 2024
Published online: 10 April 2024
Open access
(T) Check for updates

Interlocked molecules, such as rotaxanes, are well suited to act as force actuators due to their capability for large amplitude movements . This property has been exploited to create non-scissile rotaxane-based force sensors . We have recently demonstrated the ability of a rotaxane to influence the mechanochemical reactivity of a mechanophore embedded in its axle , and shown how a rotaxane actuator can promote unstoppering reactions by enhancing the mechanical lability of covalent bonds in the axle . At the same time, stimuli-responsive rotaxanes have been interfaced with polymers to perform various chemical tasks . Building on these concepts, here we propose the use of a rotaxane architecture to release several small-molecule cargoes at once (Fig. 1a, Extended Data Fig. 1 and Supplementary Video 1). The rotaxane is mechanically activated by the intermediary of two polymer chains attached to the axle and the macrocycle, respectively (see “Design”). Elongational force will pull the macrocycle towards the cargo compartment, in which cargo molecules (blue balls; Fig. 1a) are dispersed along the axle. Forceful contact between the macrocycle and these steric obstacles leads to the sequential release of these cargo molecules via mechanochemical scission of the covalent bonds linking them to the axle.

Our design is based on a rotaxane architecture (1, Fig. 1a) built around a pillar[5]arene (P5) macrocycle threaded onto a C12 alkyl chain, extended on one side with a poly(methyl acrylate) (PMA) polymer and on the other side with the cargo-bearing oligomer (the cargo compartment). Another PMA chain is connected to the P5 macrocycle to enable the mechanical activation of this assembly . This macrocycle was chosen for its rigid and tubular nature, as a more flexible macrocycle would favour the scission of the axle (unstoppering) . The cargo units ( -triphenylmethyl maleimide, 2, chosen for its steric bulk) were loaded onto the furan moieties of the cargo oligomer via a Diels-Alder reaction. On stretching, the macrocycle is pulled along the cargo compartment until it reaches the first Diels-Alder adduct, which acts as a barrier, as this small macrocycle is physically unable to pass this steric obstacle without the scission of a covalent bond (Fig. 1a). Pulling the macrocycle further against the adduct eventually triggers the retro-Diels-Alder reaction (Fig. 1a) that releases the cargo unit . This geometry of activation, in which the mechanophore (the Diels-Alder adduct) is pushed rather than pulled (Fig. 1a, left box), is unique to the rotaxane architecture. This process is repeated as the macrocycle

Diels-Alder adduct.b, Synthesis of cargo-bearing rotaxanes via a stopper exchange mechanism. Conditions: (i) , yield: ; (ii) -crown-6, acetone, room temperature, 16 h , yield: see Supplementary Information; (iii) methyl acrylate, Cu wire, TREN, DMSO. Red arrows indicate the direction of the force.
is pulled along the cargo compartment until it escapes (Fig. 1a). Up to five cargo units are released with rotaxane, .

Chain-centred macromolecular rotaxanes were obtained by single-electron transfer living radical polymerization of methyl acrylate initiated from both the macrocycle and the axle of rotaxane (Fig. 1b). This ensured that the rotaxane is placed in the central region
of the chain, which experiences the largest intensity of force during sonication (see below) . The rotaxane initiators were assembled following a stopper exchange strategy in which an activated rotaxane (7) is first produced by capping the inclusion complex formed between axle and the P5 derivative with a 3,5-bis(trifluoromethyl) benzenesulfonyl moiety (BTBS), which is also an excellent leaving group . Substitution of BTBS by the carboxylic acid terminating the cargo compartment, assembled by iterative click chemistry (threeand five-cargo compartments present a small fraction (typically

less than 6%) of unloaded furan units after assembly (Supplementary Information)), affords rotaxane initiator 8.

As the P5 macrocycle is cylindrical in shape , the rotaxane formation results in two isomers in which the polymers are either on the same or opposite sides of the rotaxane, labelled as cis and trans, respectively. The identity was confirmed by rotating-frame nuclear Overhauser effect spectroscopy (Supplementary Information section 4.3.) Similarly, the Diels-Alder reaction linking the cargo to the axle can produce both endo and exo isomers of the adduct (Supplementary Information). As the geometry of these mechanophores can greatly affect their mechanochemical reactivity , we decided to explore the influence of these two sources of isomerism before assembling a multicargo rotaxane device (Fig. 2). The four possible isomers of rotaxane 9 (number average molecular weight , dispersity ; see Supplementary Information section 5.11 for details), which contains a single cargo unit, were mechanically activated by ultrasonication (Fig. 2a), a technique in which elongational flows are generated in the vicinity of collapsing cavitation bubbles . The progress of the reaction was monitored by size-exclusion chromatography (Supplementary Section 6.3) and the efficiency of the cargo release was determined by NMR spectroscopy, by comparing the integration of diagnostic peaks of the Diels-Alder adduct (peaks a, b, c; Fig. 2b) and those of the furan unit revealed after the release of the maleimide cargo (peaks Fig. 2b). The trans isomer of rotaxane 9 proved to be the better actuator, activating both the endo and exo adducts with the same efficiency (71% conversion; Fig. 2a), so we decided to proceed with this

sonication, along with reference compound (iii), indicate activation of the Diels-Alder adduct and release of the maleimide cargo.c, Partial NMR ( 400 MHz , acetone- ) spectra of the post-sonication MeOH extract (i), along with a reference compound 2 (ii).
isomer for the assembly of larger structures. The cargo molecules can be recovered by extracting the post-sonication polymer residue with MeOH (Supplementary Information section 6). Analysis of this extract by NMR spectroscopy confirms the release of the cargo, notably with the presence of the maleimide olefinic peak (peak D;Fig. 2c). The liberation of the macrocycle from the axle after the release of the cargo unit was also confirmed by NMR spectroscopy (Supplementary Information section 6.5).

We then sought to explore the ability of our rotaxane actuator to release functional molecules (Fig. 3). We chose three model cargo molecules (a drug, a fluorescent tag and an organocatalyst), which are representative of the potential biomedical (drug release, molecular tagging) and materials (damage reporting, self-healing) applications for such a force-controlled release device. In the first case, we appended our bulky maleimide cargo unit with a valine-citrulline peptide linker, which connects to the drug via a self-immolative para-aminobenzyloxycarbonyl spacer. This architecture is commonly used in antibody-drug conjugates as it relies on the overexpression of cathepsin B in cancerous cells, a lysosomal cysteine protease, to trigger the release cascade . As a proof-of-concept we chose to load the cargo with doxorubicin, a potent wide-spectrum chemotherapeutic agent , which is released with an efficiency of in solution. We selected -( 1 -pyrenyl)maleimide, a popular fluorescent probe , as a molecular tag to demonstrate that the rotaxane actuator can accommodate cargoes of different size and shape. A model thiol (dodecane thiol) was tagged in situ on mechanical release of non-fluorescent -(1-pyrenyl)maleimide to form

the corresponding fluorescent adduct. Finally, the release of the trityl cation, a mild Lewis acid organocatalyst known to catalyse cycloadditions and rearrangements , further illustrates the versatility of the rotaxane actuation to deliver varied cargo molecules through diverse dissociation mechanisms.

We performed the mechanical activation of rotaxanes and (Fig. 1b) loaded with five and three cargo units, respectively, in solution by ultrasonication (Fig. 4a-c). The mechanical behaviour of these longer systems is more complex, as the macrocycle can reach the end of the cargo compartment or potentially stop somewhere along the way (for example, due to competing bond scission; see below), leading to complete or partial release of the cargo load, respectively (Fig. 4a). Competing bond scission in one of the PMA chains, or in the rotaxane axle (unstoppering) , could also occur at any stage; in both cases, no more cargo molecules can be released as the rotaxane is no longer in the central region of the polymer, or the interlocked architecture is lost
altogether (Fig. 4a). Dilute solutions of these polymers were sonicated until at least one bond (covalent or mechanical) scission had occurred in the main chain (that is, until the observed was below half of the initial ; Supplementary Information section 6). Unselective cleavage in the PMA chain, determined from the amount of intact rotaxane left after sonication (Supplementary Information section 8), proved to be the major pathway for these longer rotaxanes (typically less than and less than for three- and five-cargo rotaxanes, respectively; Fig. 4c and Supplementary Information section 8.7), whereas cleavage of the axle is a very minor pathway (typically less than ; Supplementary Information section 8.7). The rest of the rotaxanes engage in the cargo-release process. As it is possible to distinguish between the internal and terminal Diels-Alder adducts/furan groups by HNMR spectroscopy (Fig. 4b), we were able to determine the extent of cargo release at these positions separately. Their relative integration (Fig. 4c) shows that most macrocycles engaging in cargo release (that is, not experiencing unselective scission; left path in Fig. 4a) are able to reach the end of the cargo compartment and deliver the entire load, with a release efficiency of up to and for three- and five-cargo

Fig. 4 | Activation of multicargo rotaxanes in solution and bulk. a, Mechanical activation of multicargo rotaxanes can lead to partial or complete release of the cargo load. Unselective scission can occur if the rotaxane breaks in the axle or in one of the PMA chains. b, Partial , acetone- spectra of rotaxane before (i) and after (ii) sonication, along with reference compound S22 (iii), indicate the activation of internal and terminal Diels-Alder adducts.
c, Structural and activation parameters for representative one-, three- and five-cargo rotaxanes. Percentage of unselective scission combines PMA and axle scissions. Relative error of unselective scission and cargo release, , see Supplementary Section 8.7 for full data and calculation details. d, Activation by compression in bulk leads to cargo release in an entangled network. Condition: (i) manual press ( 0.74 GPa , less than 60 min per cycle, cycles).
rotaxanes, respectively (Fig. 4c). The release efficiency shows an apparent decrease as the length of the cargo compartment increases, but, as the macrocycle is not observed to stop midway (as discussed above), it is likely that the decrease in efficiency is not an inherent limitation of the rotaxane actuator; this is possibly due to the formation of less defined polymers when the polymerization is initiated from such large molecules (Fig. 4c). In this case, the rotaxane is less likely to be located at the centre of the chain, which experiences the highest intensity of force during sonication, and the unselective scission of a PMA chain becomes predominant . We also explored the effect of the polymer length ( ) on the activation of the five-cargo rotaxane and the influence of the exo/endo content (exo-rich to endo-rich) on the three-cargo rotaxane (Supplementary Information section 8.7). We found no influence of the polymer length on the efficiency of cargo release, but the endo-rich rotaxane shows a better conversion (44%) than its exo-rich counterpart (29%).

The bulk activation of one-,three- or five-cargo rotaxanes was performed by compressing a small sample (approximately 30 mg ) of polymers and , respectively, using a manual press ( 0.74 GPa , less than 60 min per cycle, 10-45 cycles; Fig. 4c,d). Despite the lack of covalent crosslinks,
which would lead to a greater activation , a substantial amount of cargo release was observed in these entangled networks (a non-interlocked control polymer confirmed the mechanical nature of the activation; Supplementary Information section 7.2), although to a lower extent than in solution at similar post-activation (Fig. 4c). Here again, the cargo molecules could be recovered by extracting the post-compression polymer residue with MeOH (Supplementary Information section 7). The bulk activation contrasts with the solution experiments by the lower proportion of rotaxanes releasing their entire cargo load; that is to say, fewer macrocycles can reach the end of their cargo compartment. This can be explained by the ability of the network to distribute tensional stress, and the fact that the rotaxanes could be located in a low stress region of the network. Nevertheless, the possibility of releasing up to of the cargo load across the sample (with the one-cargo system) or up to five cargo molecules in the same location (with the five-cargo system), places our systems among the best for covalent force-controlled release molecular mechanisms and offers great promise for the release of active compounds in a variety of contexts.

We have demonstrated the force-controlled release of small molecules using a rotaxane actuator in which the force-induced movement of
the macrocycle along the axle leads to the activation and subsequent release of small-molecule cargo in series. The rotaxane architecture enables the iterative actuation of scissile mechanophores because the actuating polymers are not directly attached to the mechanophore. This architecture is also unique in the way it activates mechanophores, with a pushing rather than a pulling geometry. We have shown that such a molecular device can release up to five cargo units per chain both in solution and in bulk. An activation efficiency of up to has been achieved in bulk, which places our device among the best covalent force-controlled release systems achieved so far. Furthermore, we have demonstrated the versatility of this actuating device by releasing three representative functional molecules (a drug, a fluorescent tag and an organocatalyst) and we anticipate that a larger diversity of cargo could be released. Additionally, such a system offers the possibility to release different cargo units in a defined sequence. The versatility and efficiency of the rotaxane actuator should pave the way to more sophisticated force-controlled release systems.

Any methods, additional references, Nature Portfolio reporting summaries, source data, extended data, supplementary information, acknowledgements, peer review information; details of author contributions and competing interests; and statements of data and code availability are available at https://doi.org/10.1038/s41586-024-07154-0.

Publisher’s note Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Open Access This article is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License, which permits use, sharing, adaptation, distribution and reproduction in any medium or format, as long as you give appropriate credit to the original author(s) and the source, provide a link to the Creative Commons licence, and indicate if changes were made. The images or other third party material in this article are included in the article’s Creative Commons licence, unless indicated otherwise in a credit line to the material. If material is not included in the article’s Creative Commons licence and your intended use is not permitted by statutory regulation or exceeds the permitted use, you will need to obtain permission directly from the copyright holder. To view a copy of this licence, visit http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.
(c) The Author(s) 2024

See Supplementary Information for detailed methods and protocols.

The appropriate polymer ( 20 mg ) was added to a Suslick cell and dissolved in dry . The solution was degassed by bubbling through it for a minimum of 10 min before the start of sonication and throughout the experiment. The Suslick cell was cooled with an ice bath throughout the duration of the sonication to maintain a temperature of approximately inside the cell. Pulsed ultrasound was applied to the system ( off, amplitude ( ), 20 kHz ) for the desired period of time. After sonication, the solvent was evaporated and the polymer was analysed by size-exclusion chromatography and NMR. The post-sonication polymer was recovered and washed with MeOH to extract any small molecules not attached to polymer chains. The remaining MeOH -washed polymer and the concentrated MeOH washings were then analysed by NMR.

The appropriate polymer ( ) was formed into a rough spherical shape by hand. The material was placed in between the anvils of a standard 13 mm KBr pellet die. A compressive force of 10 tonnes was then applied; as the material was compressed, the pressure was relieved gradually by rearrangement of the material so, over the course of an hour, it was ensured that 10 tonnes of force was being continuously applied. The pressure was then released and the flattened material refolded into a new sphere. This cyclical process of folding followed by compression over an hour was repeated until size-exclusion chromatography
analysis of the material showed adequate reduction in the . At this point, the material was dissolved in dichloromethane and carefully filtered ( polytetrafluoroethylene membrane) to remove any metal particulates before being condensed in vacuo. The crude polymer material was analysed by NMR before being thoroughly dried and the polymer film being directly washed over with MeOH . The MeOH washings were collected and analysed by NMR along with the washed polymer material itself.

The data that support the finding of this study are available within the paper and its Supplementary Information, or are available from the figshare data repository (https://figshare.com) under https://doi. org/10.6084/m9.figshare.25053494.

Acknowledgements We thank the China Scholarship Council (CSC) and the University of Manchester for a scholarship (to L.C.). R.N. is funded on a Royal Society Enhancement Award. G.D.B. is a Royal Society University Research Fellow.

Author contributions L.C. and R.N. planned and carried out the experimental work. G.D.B. devised the project and directed the research. All authors contributed to the analysis of the results and the writing of the manuscript.

Competing interests The authors declare no competing interests.

Supplementary information The online version contains supplementary material available at https://doi.org/10.1038/s41586-024-07154-0.
Correspondence and requests for materials should be addressed to Guillaume De Bo. Peer review information Nature thanks Anne-sophie Duwez and the other, anonymous, reviewer(s) for their contribution to the peer review of this work. Reprints and permissions information is available at http://www.nature.com/reprints.

Extended Data Fig. 1| Cartoon depiction of the force-controlled release of cargo molecules by a rotaxane actuator. Upon elongation of the rotaxane, by the intermediary of the polymer chains (thin grey strands), the macrocycle (light brown) is pulled along the cargo compartment until it reaches the first cargo molecule (blue ball), which acts as a barrier as the macrocycle is unable to pass this steric obstacle without its detachment. Pulling the macrocycle further eventually triggers the release of the first cargo unit. This process is repeated as the macrocycle is pulled along the cargo compartment, leading to the release of all the cargo molecules and the escape of the macrocycle.