納米機器

摘 要:本文介紹了分子馬達的研究現狀，并對它的研究前景進行了展望，更充分地說明了研究分子馬達的機制對我們的重要性。

關鍵詞:分子馬達納米機器

中圖分類號:TM359.9文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)07(c)-0014-02

1 序言

近些年，隨著光鉗技術、分子遺傳學方法、X射線晶體結構分析以及顯微成像等實驗方法應用于分子生物學領域，人們對于分子馬達的結構及動力學行為的認識有了長足的進展，也使直接研究和操縱單個分子馬達成為可能。實驗中觀測到的分子馬達一般在幾萬到幾十萬道爾頓，因此分子馬達通常被看作布朗粒子，也被稱作納米粒子。在納米技術的萌芽階段，科學家已經制造了很多微型器件，但是要實現納米機器的設想，動力系統是個關鍵部分，否則工藝再精確，人們也不可能制作出納米數量級的機械動力系統，因此人們寄希望于分子馬達為納米器件提供動力，如果這個設想可以實現的話，那么分子馬達就可以為納米器件提供能量來源。

2 分子馬達的研究現狀及前景

日本一研究小組利用分子馬達開發出一種新技術，可以將微小顆粒經由生物芯片上的微細通道運送到指定地點，這一技術又稱為“分子快遞”技術。日本東京大學生產技術研究所藤田博之教授等組成的研究小組研制開發了這一技術。研究人員在生物芯片上設置寬0.5mm、長30mm的通道，并在里面鋪設好微管“鐵軌”。將用熒光物質標記的直徑為0.32μm的微粒附著到驅動蛋白上后放入通道，研究人員觀察到微粒以每秒1微米的速度沿“鐵軌”運動。利用“分子快遞”技術，可以將微小顆粒高效精確地搬運到目的地。這種“分子快遞”技術將來可促進特定蛋白質和其他化學物質在芯片上發生高效反應。

賓夕法尼亞大學醫學院肌肉研究所Yale Goldman博士的實驗室和Erika Holzbaur 實驗室的研究人員發表了一組論文，這些論文綜合起來證實了一種充當分子馬達的蛋白質驚人地靈巧，并能在細胞內輕巧地越過障礙物。利用一種能夠一次觀察一個大分子的活動的特殊顯微鏡，研究組發現一種蛋白質馬達能夠沿著微管來回移動，而不是像之前推測的那樣朝一個方向運動。這兩種運動蛋白dynein和dynactin是細胞的長途貨車，它們能夠合作從細胞外圍將分子貨物運送到細胞核。Holzbaur實驗室發文章說他們發現dynactin的一種突變能導致運動神經元的降解——運動神經元疾病的標志。這種突變使dynein-dynactin馬達在細胞中運送“廢物”的效率降低，并造成細胞中錯誤折疊的蛋白質的累積，從而導致神經元退化的發生。這些觀察結果將有助于更好地治療運動神經元疾病。

由美國佛羅里達大學化學系華裔科學家譚蔚泓教授領導的一個研究小組，研制出了一種新型的由光子驅動的“分子納米馬達”，這種單分子馬達將光能高效率地轉變成機械力，不僅能將光能的利用率從過去的10%提高到25%以上，還沒有人們所憂慮的在其過程中所產生的環境污染問題。在紫外可見光的照射下，這個單分子納米馬達可以達到40%～50%的開關轉換效率，同時，在常溫常壓下，納米馬達就表現出良好的、規整的可控性，并具有無廢料排除的特性。與其他多組分的DNA納米馬達相比，這種單分子馬達由于其單組分特性，分子運動主要受獨特的分子內相互作用的影響，從而可以減少分子間作用力的干涉，并表現為濃度非依賴性。若把這種馬達用來吸收太陽能，相比傳統的太陽能電池，能更有效地利用太陽能，目前主要的困難在于如何把這些馬達由陽光照射所產生的分子級動力累積在一起，輸出可用的動力，并且納米馬達產生的動力與其尺寸有關，納米馬達尺寸很小，目前這項技術離實用還有很遠的距離。如果要用這種馬達來驅動汽車或其他大型設備，需要把大量的納米馬達裝配在一起，目前尚有困難。

納米器件要投入使用，離不開能量的傳遞，也就是說需要分子數量級的微小馬達。DNA(脫氧核糖核酸)是生物遺傳物質的載體。DNA分子馬達的優點是可以直接將生物體的生物化學能轉換成機械能，而不像通常意義上的馬達需要電力。因此，從理論上說，DNA分子馬達可以借助一些生物化學變化而進行藥物和基因等的傳遞，比如說，將藥物分子直接輸送至癌細胞的細胞膜。人們已經利用多個DNA分子制造出了分子馬達，但這些馬達存在著效率不高、難以控制的缺陷，與多分子DNA馬達相比，單DNA分子馬達應用起來更為方便，兩位旅美中國學者在分子馬達研究領域取得新的突破，首次利用單個DNA分子制成了分子馬達，這種分子馬達在一種生物環境中處于緊湊狀態，但在生物環境發生變化后，又會變得松弛。實驗證實，采用這一原理制造出的單DNA分子馬達具有非常強的工作能力，可以像一條蟲子一樣伸展和卷曲，實現生物反應能向機械能的轉變。采用人工合成的單DNA分子來制造分子馬達還有一個好處，即可以根據不同要求而有針對性地設計出DNA分子，使制造出的馬達具備各種性能，這些馬達可以有不同的效率，可以設計成有很大的做功能力，也可以設計成能把物體搬運到更遠的距離?，F在還很難預測分子量級的馬達什么時候能真正投入實用，下一步目標是要讓單DNA分子馬達真正移動一個微小物體，并進一步提高其工作效率。

分子馬達既然能把生物能轉化為機械能，一旦被人類完美地控制，就可以完全充當納米機器人的發動機。也可以把分子馬達看成一個簡單的納米機器人，像一種長了兩條“腿”的肌球蛋白分子馬達，可以做線性推進運動，在人體內，它的一大作用是在細胞內搬運小泡等物質，理論上，如果再給它裝個筐，它也能運我們想運的東西。美國康乃爾大學納米生物科技研究小組，已成功地制造出與病毒大小差不多的分子馬達。該生物分子馬達是以200nm長、80nm直徑寬的金屬鎳為軸，并以分子(F1 Adenosine triphosphate synthase 稱為F1腺嘌呤核甘三磷酸合成酶素)作為馬達，而以長750nm、直徑為150nm的鎳作為螺旋槳。據研究人員的觀察，該分子馬達被浸泡至ATP溶液中后，利用生物分子細胞內的化學反應，以ATP作為能源，每秒轉速可達8圈，并可連續轉動2.5h。像這樣的微型分子馬達可當作是納米機器人或其它納米組件零件的一部分，它的潛在應用價值是非常之大的。也許，將來利用該馬達所做成的潛艇就可進入人類的血管之中，不必籍由傳統的開刀方式，即可清除腦血管中的血塊，清理血管壁上的沉積物質，以排除中風的危險。

當分子馬達技術足夠成熟時，這一技術還可以為病毒檢測提供新的途徑，分子馬達自重加大，轉速就會變慢，如果尋找到辦法能夠使某一種病毒與分子馬達特異性結合，根據這一原理，通過觀察分子馬達的轉速就可以判斷是否沾染病毒，從而檢測出機體是否被病毒感染。例如唐氏綜合癥就是由于卵子細胞內的染色體分裂不正確而導致的，被認為與驅動蛋白的缺陷有關，如果能找到一種激活驅動蛋白的方法，就能治療這類疾病了。

3 結語

科學家們正在使用更加先進的光鉗以及光學探測器技術，來探索分子馬達的更多秘密。目前利用光鉗技術[1]在體外無損的情況下直接觀測單個分子馬達的運動，得到了許多重要的結果[2，3]，與此同時，理論研究也成為分子生物學和統計物理研究中的熱點之一[4，5]?；诜肿玉R達對人類發展的重要性，我們正在致力于研究它的神秘能量轉化機制，以便更大可能地把它應用于我們的生活中去。

參考文獻

[1]A.Ashkin，Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers，Proc.Natl.Acad.Sci.USA，1997，94:4853-4860.

[2]J.T.Finer， et al， Single myosin molecule mechanics:piconewton forces and nanometer seteps[J]，Nature，1994，368:113-119.

[3]K.Svoboda，et al，Direct observation of kinesin stepping by optical trappinginterferometry[J]，Nature，1993，365: 721-727.

[4]P.Reimann，et al，Flux of particles in sawtooth media，Phys.Rev.Lett.1997，79:3335-3338.

[5]T.Duke and S.Leibler， Motor protein mechanics:A stochastic model with minimal mechano-chemical coupling， Biophys.J，1996，71:1235-1247.