納米機(jī)器

摘 要:本文介紹了分子馬達(dá)的研究現(xiàn)狀，并對它的研究前景進(jìn)行了展望，更充分地說明了研究分子馬達(dá)的機(jī)制對我們的重要性。

關(guān)鍵詞:分子馬達(dá)納米機(jī)器

中圖分類號:TM359.9文獻(xiàn)標(biāo)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(shù)、分子遺傳學(xué)方法、X射線晶體結(jié)構(gòu)分析以及顯微成像等實(shí)驗(yàn)方法應(yīng)用于分子生物學(xué)領(lǐng)域，人們對于分子馬達(dá)的結(jié)構(gòu)及動力學(xué)行為的認(rèn)識有了長足的進(jìn)展，也使直接研究和操縱單個(gè)分子馬達(dá)成為可能。實(shí)驗(yàn)中觀測到的分子馬達(dá)一般在幾萬到幾十萬道爾頓，因此分子馬達(dá)通常被看作布朗粒子，也被稱作納米粒子。在納米技術(shù)的萌芽階段，科學(xué)家已經(jīng)制造了很多微型器件，但是要實(shí)現(xiàn)納米機(jī)器的設(shè)想，動力系統(tǒng)是個(gè)關(guān)鍵部分，否則工藝再精確，人們也不可能制作出納米數(shù)量級的機(jī)械動力系統(tǒng)，因此人們寄希望于分子馬達(dá)為納米器件提供動力，如果這個(gè)設(shè)想可以實(shí)現(xiàn)的話，那么分子馬達(dá)就可以為納米器件提供能量來源。

2 分子馬達(dá)的研究現(xiàn)狀及前景

日本一研究小組利用分子馬達(dá)開發(fā)出一種新技術(shù)，可以將微小顆粒經(jīng)由生物芯片上的微細(xì)通道運(yùn)送到指定地點(diǎn)，這一技術(shù)又稱為“分子快遞”技術(shù)。日本東京大學(xué)生產(chǎn)技術(shù)研究所藤田博之教授等組成的研究小組研制開發(fā)了這一技術(shù)。研究人員在生物芯片上設(shè)置寬0.5mm、長30mm的通道，并在里面鋪設(shè)好微管“鐵軌”。將用熒光物質(zhì)標(biāo)記的直徑為0.32μm的微粒附著到驅(qū)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(yùn)動。利用“分子快遞”技術(shù)，可以將微小顆粒高效精確地搬運(yùn)到目的地。這種“分子快遞”技術(shù)將來可促進(jìn)特定蛋白質(zhì)和其他化學(xué)物質(zhì)在芯片上發(fā)生高效反應(yīng)。

賓夕法尼亞大學(xué)醫(yī)學(xué)院肌肉研究所Yale Goldman博士的實(shí)驗(yàn)室和Erika Holzbaur 實(shí)驗(yàn)室的研究人員發(fā)表了一組論文，這些論文綜合起來證實(shí)了一種充當(dāng)分子馬達(dá)的蛋白質(zhì)驚人地靈巧，并能在細(xì)胞內(nèi)輕巧地越過障礙物。利用一種能夠一次觀察一個(gè)大分子的活動的特殊顯微鏡，研究組發(fā)現(xiàn)一種蛋白質(zhì)馬達(dá)能夠沿著微管來回移動，而不是像之前推測的那樣朝一個(gè)方向運(yùn)動。這兩種運(yùn)動蛋白dynein和dynactin是細(xì)胞的長途貨車，它們能夠合作從細(xì)胞外圍將分子貨物運(yùn)送到細(xì)胞核。Holzbaur實(shí)驗(yàn)室發(fā)文章說他們發(fā)現(xiàn)dynactin的一種突變能導(dǎo)致運(yùn)動神經(jīng)元的降解——運(yùn)動神經(jīng)元疾病的標(biāo)志。這種突變使dynein-dynactin馬達(dá)在細(xì)胞中運(yùn)送“廢物”的效率降低，并造成細(xì)胞中錯(cuò)誤折疊的蛋白質(zhì)的累積，從而導(dǎo)致神經(jīng)元退化的發(fā)生。這些觀察結(jié)果將有助于更好地治療運(yùn)動神經(jīng)元疾病。

由美國佛羅里達(dá)大學(xué)化學(xué)系華裔科學(xué)家譚蔚泓教授領(lǐng)導(dǎo)的一個(gè)研究小組，研制出了一種新型的由光子驅(qū)動的“分子納米馬達(dá)”，這種單分子馬達(dá)將光能高效率地轉(zhuǎn)變成機(jī)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(chǎn)生的環(huán)境污染問題。在紫外可見光的照射下，這個(gè)單分子納米馬達(dá)可以達(dá)到40%～50%的開關(guān)轉(zhuǎn)換效率，同時(shí)，在常溫常壓下，納米馬達(dá)就表現(xiàn)出良好的、規(guī)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(dá)相比，這種單分子馬達(dá)由于其單組分特性，分子運(yùn)動主要受獨(dú)特的分子內(nèi)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(xiàn)為濃度非依賴性。若把這種馬達(dá)用來吸收太陽能，相比傳統(tǒng)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(dá)由陽光照射所產(chǎn)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(dá)產(chǎn)生的動力與其尺寸有關(guān)，納米馬達(dá)尺寸很小，目前這項(xiàng)技術(shù)離實(shí)用還有很遠(yuǎn)的距離。如果要用這種馬達(dá)來驅(qū)動汽車或其他大型設(shè)備，需要把大量的納米馬達(dá)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(shù)量級的微小馬達(dá)。DNA(脫氧核糖核酸)是生物遺傳物質(zhì)的載體。DNA分子馬達(dá)的優(yōu)點(diǎn)是可以直接將生物體的生物化學(xué)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，而不像通常意義上的馬達(dá)需要電力。因此，從理論上說，DNA分子馬達(dá)可以借助一些生物化學(xué)變化而進(jìn)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(xì)胞的細(xì)胞膜。人們已經(jīng)利用多個(gè)DNA分子制造出了分子馬達(dá)，但這些馬達(dá)存在著效率不高、難以控制的缺陷，與多分子DNA馬達(dá)相比，單DNA分子馬達(dá)應(yīng)用起來更為方便，兩位旅美中國學(xué)者在分子馬達(dá)研究領(lǐng)域取得新的突破，首次利用單個(gè)DNA分子制成了分子馬達(dá)，這種分子馬達(dá)在一種生物環(huán)境中處于緊湊狀態(tài)，但在生物環(huán)境發(fā)生變化后，又會變得松弛。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，采用這一原理制造出的單DNA分子馬達(dá)具有非常強(qiáng)的工作能力，可以像一條蟲子一樣伸展和卷曲，實(shí)現(xiàn)生物反應(yīng)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。采用人工合成的單DNA分子來制造分子馬達(dá)還有一個(gè)好處，即可以根據(jù)不同要求而有針對性地設(shè)計(jì)出DNA分子，使制造出的馬達(dá)具備各種性能，這些馬達(dá)可以有不同的效率，可以設(shè)計(jì)成有很大的做功能力，也可以設(shè)計(jì)成能把物體搬運(yùn)到更遠(yuǎn)的距離。現(xiàn)在還很難預(yù)測分子量級的馬達(dá)什么時(shí)候能真正投入實(shí)用，下一步目標(biāo)是要讓單DNA分子馬達(dá)真正移動一個(gè)微小物體，并進(jìn)一步提高其工作效率。

分子馬達(dá)既然能把生物能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，一旦被人類完美地控制，就可以完全充當(dāng)納米機(jī)器人的發(fā)動機(jī)。也可以把分子馬達(dá)看成一個(gè)簡單的納米機(jī)器人，像一種長了兩條“腿”的肌球蛋白分子馬達(dá)，可以做線性推進(jìn)運(yùn)動，在人體內(nèi)，它的一大作用是在細(xì)胞內(nèi)搬運(yùn)小泡等物質(zhì)，理論上，如果再給它裝個(gè)筐，它也能運(yùn)我們想運(yùn)的東西。美國康乃爾大學(xué)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(dá)。該生物分子馬達(dá)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(dá)，而以長750nm、直徑為150nm的鎳作為螺旋槳。據(jù)研究人員的觀察，該分子馬達(dá)被浸泡至ATP溶液中后，利用生物分子細(xì)胞內(nèi)的化學(xué)反應(yīng)，以ATP作為能源，每秒轉(zhuǎn)速可達(dá)8圈，并可連續(xù)轉(zhuǎn)動2.5h。像這樣的微型分子馬達(dá)可當(dāng)作是納米機(jī)器人或其它納米組件零件的一部分，它的潛在應(yīng)用價(jià)值是非常之大的。也許，將來利用該馬達(dá)所做成的潛艇就可進(jìn)入人類的血管之中，不必籍由傳統(tǒng)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(zhì)，以排除中風(fēng)的危險(xiǎn)。

當(dāng)分子馬達(dá)技術(shù)足夠成熟時(shí)，這一技術(shù)還可以為病毒檢測提供新的途徑，分子馬達(dá)自重加大，轉(zhuǎn)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(dá)特異性結(jié)合，根據(jù)這一原理，通過觀察分子馬達(dá)的轉(zhuǎn)速就可以判斷是否沾染病毒，從而檢測出機(jī)體是否被病毒感染。例如唐氏綜合癥就是由于卵子細(xì)胞內(nèi)的染色體分裂不正確而導(dǎo)致的，被認(rèn)為與驅(qū)動蛋白的缺陷有關(guān)，如果能找到一種激活驅(qū)動蛋白的方法，就能治療這類疾病了。

3 結(jié)語

科學(xué)家們正在使用更加先進(jìn)的光鉗以及光學(xué)探測器技術(shù)，來探索分子馬達(dá)的更多秘密。目前利用光鉗技術(shù)[1]在體外無損的情況下直接觀測單個(gè)分子馬達(dá)的運(yùn)動，得到了許多重要的結(jié)果[2，3]，與此同時(shí)，理論研究也成為分子生物學(xué)和統(tǒng)計(jì)物理研究中的熱點(diǎn)之一[4，5]。基于分子馬達(dá)對人類發(fā)展的重要性，我們正在致力于研究它的神秘能量轉(zhuǎn)化機(jī)制，以便更大可能地把它應(yīng)用于我們的生活中去。

參考文獻(xiàn)

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