分子馬達(dá)的研究與應(yīng)用前景

1、分子馬達(dá)的研究與應(yīng)用前景 于麗娜生命在于運動，機(jī)體的一切活動，從肌肉收縮、細(xì)胞內(nèi)部的運輸、遺傳物質(zhì) (DNA) 的復(fù)制、一直到細(xì)胞的分裂等等，追蹤到分子水平，都是來源于具有馬達(dá)功能的蛋白質(zhì)大分子做功推動的結(jié)果因此它們被稱為分子馬達(dá)或蛋白質(zhì)馬達(dá)和蛋白質(zhì)機(jī)器等到目前為止，已有百種以上的分子馬達(dá)被確定，它們在機(jī)體內(nèi)執(zhí)行著各種各樣的生物功能分子馬達(dá)都是沿著相應(yīng)的蛋白絲作定向運動16這些蛋白絲起著“軌道”的作用，它們都是有極性的，因而也是有方向性的這些分子馬達(dá)可高效率地將貯藏在腺苷三磷酸 (ATP) 分子中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能，產(chǎn)生協(xié)調(diào)的定向運動而做功迄今為止，人類尚無由化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換為機(jī)械能做功的

2、任何應(yīng)用記載那么由生物體反映出的這一獨特的能量轉(zhuǎn)換形式不僅對于生命活動是至關(guān)重要的，而且可以使人類從新的角度去認(rèn)識、研究和利用這一能量轉(zhuǎn)換的分子機(jī)制因此分子馬達(dá)定向運動機(jī)制、做功原理及能量轉(zhuǎn)換機(jī)制已成為分子生物學(xué)、物理學(xué)、生物化學(xué)等諸多學(xué)科中最引人注目的問題之一，并會在相當(dāng)長時間里成為多學(xué)科所共同面臨的一個極具挑戰(zhàn)性的科學(xué)研究領(lǐng)域?qū)τ谡婧思?xì)胞，最常見的為肌球蛋白馬達(dá) (Myosin)，動蛋白馬達(dá) (Kinesin) 和力蛋白馬達(dá) (Dynein)3 大家族系肌球蛋白馬達(dá)與肌動蛋白絲 ( Actin filament ) 合在一起稱為肌球動蛋白 ( actomyosin )當(dāng)肌肉收縮時，肌球蛋白

3、馬達(dá)沿著肌動蛋白絲滑動，而動蛋白馬達(dá)和力蛋白馬達(dá)都是沿著微管(microtubule)運載囊泡 ( Vesicles ) 與細(xì)胞器 ( organelles ) 等作定向運動肌肉的肌球蛋白馬達(dá)和常規(guī)的動蛋白馬達(dá)是迄今為止研究得最多且最具有代表性的兩個系統(tǒng)它們的大小尺度都是幾十納米 (nm) 量級近來，利用高分辨率電子顯微鏡觀察到這兩種蛋白馬達(dá)的頭部的結(jié)合區(qū)，發(fā)現(xiàn)它們大小雖不相同，且肌球蛋白是動蛋白的 3 倍，但包含著十分相似的蛋白質(zhì)折疊結(jié)構(gòu)，甚至連在功能催化活性部位 ( CD ) 的殘基都是同源的這本該意味著它們的功能也應(yīng)是相似的，然而在 ATP 作用下一個肌球蛋白馬達(dá)沿著肌動蛋白絲作跳躍式的

4、運動，馬達(dá)與軌道之間的結(jié)合只是瞬時的，只有大量肌球蛋白馬達(dá)在一起才有可能作連續(xù)性運動而單個動蛋白馬達(dá)卻可以使負(fù)載沿著微管運行相當(dāng)長的距離而不“脫軌”，作前進(jìn)式運動用所謂“負(fù)載比”( duty ratio) ( 馬達(dá)與軌道結(jié)合在一起的時間與整個過程的時間之比值 ) 來表征這兩個系統(tǒng)的運動情況，前者的負(fù)載比幾乎為零，而后者則近乎百分之百這種在結(jié)構(gòu)上相似而在功能上存在巨大差異的問題一直令人十分困惑這實際上是涉及如何統(tǒng)一認(rèn)識眾多種類的分子馬達(dá)在結(jié)構(gòu)與功能上所顯示出來的多樣性這一難題1布朗馬達(dá)模型分子馬達(dá)的運動具有 3 個基本特征首先，分子馬達(dá)的幾何尺度很小，一般在 10nm 左右，分子量在幾萬到幾十萬

5、道爾頓實驗表明，馬達(dá)與軌道之間的結(jié)合能具有 的量級 ( 為玻爾茲曼常數(shù)， 為熱力學(xué)溫度 )，熱運動的影響不容忽略，必須考慮內(nèi)噪聲的影響因而分子馬達(dá)布朗運動的特征非常明顯其次，在生物體內(nèi)的馬達(dá)蛋白還是一個高度非平衡的體系A(chǔ)TP 的濃度遠(yuǎn)高于平衡態(tài)的濃度，ATP的水解反應(yīng)是單向進(jìn)行的水解所釋放的能量為系統(tǒng)提供了一種非平衡的驅(qū)動力源除此以外，分子馬達(dá)總是沿著微絲或微管作軌道運動，構(gòu)成這些軌道的蛋白亞基順序排列，形成非對稱的周期性結(jié)構(gòu)即使是旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的轉(zhuǎn)動也可以看作是沿周期性軌道的運動總的說來，分子馬達(dá)是一種具有很大噪聲但尺寸很小的機(jī)器人們將分子馬達(dá)的這類基于布朗運動動力學(xué)理論的物理模型概括為布朗馬達(dá)分

6、子馬達(dá)的布朗運動的理論最近幾年取得了長足的進(jìn)展711所解決的首要問題就是在沒有宏觀力的情況，分子馬達(dá)如何能夠通過水解 ATP 產(chǎn)生宏觀的定向運動，如何能夠拖動負(fù)載產(chǎn)生定向力，ATP 的水解與定向運動的關(guān)系如何，即 ATP 水解的化學(xué)過程與力和運動產(chǎn)生的力學(xué)過程是如何耦合的宏觀的定向運動一般的條件是什么目前看來不滿足廣義漲落耗散定理的噪聲 ( 即所謂外噪聲 ) 的存在是一個重要的判據(jù)7第 2 方面的問題是如何解決分子馬達(dá)定向運動方向的反轉(zhuǎn)的問題這一問題的實際意義在于在同樣的軌道上運動的分子馬達(dá)即使分子結(jié)構(gòu)非常類似，仍然可能沿相反的方向定向運動第3 方面的問題是分子馬達(dá)的效率問題這一問題的重要性在

7、于實際的分子馬達(dá)的效率是很高的，在離體實驗中，效率一般在 60 %以上，有的可接近 100%我們知道馬達(dá)蛋白受到周圍環(huán)境的影響而使熱耗散不可避免如何在存在熱漲落的情況下產(chǎn)生如此高的效率，能量轉(zhuǎn)化的機(jī)制是什么按照非平衡噪聲的來源的不同，分子馬達(dá)的布朗運動的理論大致可以分為兩種基本類型：1) 搖擺力模型 ( rocking ratchet )1216，非平衡漲落力是對時間平均為零且在兩個值之間變化的周期力；2) 閃爍勢模型 (flashing ratchet)17 21，非對稱周期勢場隨時間周期性地或隨機(jī)地在兩態(tài)或多態(tài)之間躍遷前者是把周期力整流而產(chǎn)生定向運動，后者則是通過對噪聲的整流得到定向運動應(yīng)

8、當(dāng)特別指出，這兩種機(jī)制所產(chǎn)生的定向運動的方向是相反的人們在此基礎(chǔ)上還構(gòu)造了一些新的模型，這些模型有各自的特點，所解決的問題也有差異，但歸根到底可以看作是上述兩種模型的推廣或者是兩者相結(jié)合的產(chǎn)物例如，考慮關(guān)聯(lián)噪聲和閃爍勢可以討論定向運動以及定向流的反轉(zhuǎn)11，而考慮隨時間變化的驅(qū)動力與白噪聲的共同作用可以解釋定向運動的梯跳特征研究進(jìn)展應(yīng)用非平衡輸運理論研究馬達(dá)蛋白的做功原理，即把 ATP 水解對馬達(dá)提供的能量作為一種外部漲落(如高斯色噪聲、乘性噪聲、確定性周期力、勢壘漲落及它們之間的耦合作用) 施于系統(tǒng)，破壞系統(tǒng)平衡特性，驅(qū)使馬達(dá)定向運動近年來在以下幾方面做了一些工作22 311）將過阻尼條件下的

9、非平衡輸運理論推廣到一般情況中，建立含慣性項、一般阻尼以及雙源噪聲的 Langevin 動力學(xué)模型，利用 Monte Carlo 數(shù)值模擬與極限下的解析結(jié)果相比較的方法，在無法嚴(yán)格解析該馬爾可夫過程的情況下，給出了較精確的數(shù)值解，描述了各模型參數(shù)對非平衡驅(qū)動效應(yīng)的影響，得到了一般阻尼條件下雙噪聲 Langevin 輸運模型中阻尼、溫度、色噪聲關(guān)聯(lián)時間以及乘性噪聲等因素與幾率流的關(guān)系；2）色噪聲驅(qū)動下閃爍勢或色噪聲強(qiáng)度閃爍所誘導(dǎo)的定向運動及粒子流反轉(zhuǎn)；而考慮隨時間變化的驅(qū)動力與白噪聲的共同作用可以解釋定向運動的梯跳特征；3）多噪聲的勢壘閃爍（flashing ratchet）機(jī)制與幾率流反轉(zhuǎn)：非

10、對稱周期勢場隨時間周期性地或隨機(jī)地在兩態(tài)或多態(tài)之間躍遷前者是把周期力整流而產(chǎn)生定向運動，后者則是通過對噪聲的整流得到定向運動應(yīng)當(dāng)特別指出，這兩種機(jī)制所產(chǎn)生的定向運動的方向是相反的；4）噪聲強(qiáng)度多態(tài)變化機(jī)制，考慮到了多態(tài)的變化，這比起以往的模型更接近于真實的蛋白馬達(dá)通過對馬達(dá)蛋白結(jié)構(gòu)與構(gòu)像的變化過程的分析，可以得出多態(tài)的參數(shù)體系，概括出動力學(xué)特征；5）討論空間非均勻性對于定向運動的影響，是為了處理一類馬達(dá)運動中，軌道與馬達(dá)之間相互作用勢隨位置的隨機(jī)漲落所造成的物理效應(yīng)總體效果是減少定向運動幾率流，但在不同的參數(shù)空間效果不同，在有些范圍甚至可以增強(qiáng)幾率流；6）關(guān)注馬達(dá)與軌道之間的相互作用，從蛋白馬

11、達(dá)與其軌道 ( track ) 之間的相互作用的分析與研究中得出相互作用勢的形式，提出反映分子馬達(dá)更多結(jié)構(gòu)信息的 Kinesin 與微管之間偶極偶極相互作用模型到目前為止，分子馬達(dá)的動力學(xué)理論還只是在對分子馬達(dá)進(jìn)行了大量簡化的基礎(chǔ)上，采用極為簡單的物理模型，對非常復(fù)雜的馬達(dá)蛋白及其輸運過程進(jìn)行了初步的理論分析，揭示了一類由非平衡漲落誘發(fā)的非對稱周期場中的定向運動，提出不滿足廣義漲落耗散定理的噪聲可以誘發(fā)定向流的概念說明了定向流的產(chǎn)生與有效勢的傾斜的關(guān)系，有些理論甚至可以解釋分子馬達(dá)的梯跳運動特征，許多理論與實驗結(jié)果定性符合在分子馬達(dá)能量轉(zhuǎn)化效率的問題上也作了一些有益的嘗試和探索比如費曼熱機(jī)的效

12、率等等可以說，理論在解釋分子馬達(dá)的定向運動以及定向運動方向的改變等方面是成功的但是應(yīng)該指出，理論本身還存在許多關(guān)鍵的問題尚待解決首先，在布朗馬達(dá)模型中我們把分子馬達(dá)看作點粒子，不能考慮構(gòu)象變化，這與實際情況相差甚遠(yuǎn)而實際的分子馬達(dá)，不同部位所起的作用非常獨特，正是各部分的協(xié)調(diào)作用使馬達(dá)蛋白對 ATP 水解起到催化作用并產(chǎn)生定向運動另外，布朗馬達(dá)模型的效率普遍不高，這與實際的分子馬達(dá)具有很高的效率的結(jié)果構(gòu)成鮮明的對照總之，布朗馬達(dá)的研究雖然取得了一定的成功，但是還是有一定的局限性，可以認(rèn)為，對分子馬達(dá)的動力學(xué)的研究才剛剛起步，正是由于一系列重大問題還沒有得到解決，分子馬達(dá)的運動規(guī)律還需要人們不斷

13、地探索展望盡管有關(guān)分子馬達(dá)的理論研究工作取得了一些成果，但這些研究是初步的，而且研究分子馬達(dá)運動機(jī)制還有許多工作要做，存在著許多挑戰(zhàn)性多學(xué)科的問題有待解決目前已經(jīng)認(rèn)識到的問題主要有以下幾個方面3.1分子馬達(dá)的分類實驗及研究分子馬達(dá)是生物進(jìn)化的產(chǎn)物，許許多多結(jié)構(gòu)各異、功能不同、各司其職的分子馬達(dá)成為生命動力和活力的源泉而且實驗研究不斷取得新的進(jìn)展，不斷有新的分子馬達(dá)被發(fā)現(xiàn)對其機(jī)理的研究使人們認(rèn)識到分子馬達(dá)一些新的運動模式最近，有關(guān)肌球蛋白 V (myosin V) 的很多實驗結(jié)果32，33又為從理論上研究分子馬達(dá)運動的機(jī)理提供了很好的契機(jī)為廣大理論工作者提供了廣闊天地3.2分子馬達(dá)做功原理的研究

14、這是分子馬達(dá)研究中的核心問題，其中蘊含人類尚未揭示的科學(xué)奧妙雖然這方面的研究已取得了一些進(jìn)展，但距真正搞清楚這一能量轉(zhuǎn)化機(jī)制還相差甚遠(yuǎn)這絕不是某一學(xué)科所能獨立完成的事情，需要多學(xué)科有機(jī)融合、交叉研究來共同解決3.3分子馬達(dá)做功效率的研究實驗表明，分子馬達(dá)效率在 50%以上，個別馬達(dá)效率甚至接近 100%這種效率是任何人造機(jī)器都無法與之相比的這就是說，模型分析中要以效率作為判據(jù)之一而在現(xiàn)有的模型中計算得到的效率卻是很低的，只有百分之幾，這與實際情況相比存在數(shù)量級的差別，說明模型存在著實質(zhì)性問題有待解決3.4模型的研究現(xiàn)有眾多的模型與結(jié)果，大都是把分子馬達(dá)抽象為布朗粒子，模型中沒有體現(xiàn)分子馬達(dá)的復(fù)

15、雜結(jié)構(gòu)以及在運動過程中的構(gòu)象變化在構(gòu)象變化中，分子馬達(dá)化學(xué)過程如何產(chǎn)生力學(xué)過程？力學(xué)過程又如何加速化學(xué)過程？構(gòu)象變化如何傳遞運動？這些工作需要實驗提供更多的定量分析，提供更多的數(shù)量化的依據(jù)模型研究應(yīng)當(dāng)考慮有多自由度的布朗馬達(dá)，將原有低維運動模型推向多維，還應(yīng)考慮處于多個中間狀態(tài)時馬達(dá)與微管 (絲) 之間的作用3.4分子馬達(dá)的人工合成布朗馬達(dá)的研究揭示出在噪聲存在時誘導(dǎo)宏觀定向運動的可能性這啟發(fā)人們研制體積小、信息容量大、反應(yīng)速度快的分子器件這種由化學(xué)方法合成的分子器件在外界因素激發(fā)時，運動具有可控性根據(jù)其能量轉(zhuǎn)化的特點，這類器件也是一類分子馬達(dá)分子馬達(dá)的人工合成不論在理論上還是在應(yīng)用上都有重大

16、意義，這方面的工作還有待于進(jìn)一步深入開展近年來分子馬達(dá)運動機(jī)制的研究已取得相當(dāng)進(jìn)展分子馬達(dá)這一研究領(lǐng)域確實是一個廣闊而又神奇的世界，正在日新月異地在向前發(fā)展分子馬達(dá)的研究在國際上已引起極大的重視日、美等國在該領(lǐng)域已做了大量工作，而且發(fā)展很快，處于領(lǐng)先地位國內(nèi)的研究工作雖然初見成效，但是還應(yīng)當(dāng)給予足夠的重視，多做工作，盡快縮小差距，迎頭趕上可以預(yù)期這一多學(xué)科極具挑戰(zhàn)性領(lǐng)域必將在本世紀(jì)推動各個學(xué)科向更深層次探索，成為 21 世紀(jì)科學(xué)研究的焦點，其研究成果具有巨大的學(xué)術(shù)價值以及潛在的社會效益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

17、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。實驗證實,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,實現(xiàn)生物反應(yīng)能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)變。采用人

18、工合成的單DNA分子來制造分子馬達(dá)還有一個好處,即可以根據(jù)不同要求而有針對性地設(shè)計出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)計成有很大的做功能力,也可以設(shè)計成能把物體搬運到更遠(yuǎn)的距離?，F(xiàn)在還很難預(yù)測分子量級的馬達(dá)什么時候能真正投入實用,下一步目標(biāo)是要讓單DNA分子馬達(dá)真正移動一個微小物體,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)運動,在人體內(nèi),它的一大作用是在細(xì)胞內(nèi)搬運小泡等物質(zhì),理論上,如果

19、再給它裝個筐,它也能運我們想運的東西。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徑寬的金屬鎳為軸,并以分子(F1 Adenos-ine 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)用價值是非常之大的。也許,將來利

20、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。當(dāng)分子馬達(dá)技術(shù)足夠成熟時,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

21、前利用光鉗技術(shù)1在體外無損的情況下直接觀測單個分子馬達(dá)的運動,得到了許多重要的結(jié)果2,3,與此同時,理論研究也成為分子生物學(xué)和統(tǒng)計物理研究中的熱點之一4,5?；诜肿玉R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。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)通道運送到指定地點,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0.32m的微粒附

22、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”運動。利用“分子快遞”技術(shù),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(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YaleGoldman博士的實驗室和Erika Holzbaur 實驗室的研究人員發(fā)表了一組論文,這些論文綜合起來證實了一種充當(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方向運動。這兩種運動蛋白dynein和dyna

23、ctin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送到細(xì)胞核。Holzbaur實驗室發(fā)文章說他們發(fā)現(xiàn)dynactin的一種突變能導(dǎo)致運動神經(jīng)元的降解運動神經(jīng)元疾病的標(biāo)志。這種突變使dynein-dynactin馬達(dá)在細(xì)胞中運送“廢物”的效率降低,并造成細(xì)胞中錯誤折疊的蛋白質(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

24、產(chǎn)生的環(huán)境污染問題。在紫外可見光的照射下,這個單分子納米馬達(dá)可以達(dá)到40%50%的開關(guān)轉(zhuǎn)換效率,同時,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,分子運動主要受獨特的分子內(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,目前這項技術(shù)離實用還有很遠(yuǎn)的距離。如果要用這種

25、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

26、破,首次利用單個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。實驗證實,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)還有一個好處,即可以根據(jù)不同要求而有針對性地設(shè)計出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)計成有很大的做功能力,也可以設(shè)計成能把物體搬運到更遠(yuǎn)的距離?，F(xiàn)在還很難預(yù)測分子量級的馬達(dá)什么時候能真正投入實用,下一步目標(biāo)是要讓單DNA分子馬達(dá)真正移動一個微小物體,并進(jìn)一步提高其工作效率

27、。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)運動,在人體內(nèi),它的一大作用是在細(xì)胞內(nèi)搬運小泡等物質(zhì),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(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 Adenos-ine 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

28、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。當(dāng)分子馬達(dá)技術(shù)足夠成熟時,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,

29、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分子馬達(dá)的運動,得到了許多重要的結(jié)果2,3,與此同時,理論研究也成為分子生物學(xué)和統(tǒng)計物理研究中的熱點之一4,5?；诜肿玉R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)：1 Rice SetalA structural change

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