全球首創(chuàng)！研究人員借助DNA折疊術(shù)構(gòu)建了一個能工作的納米級旋轉(zhuǎn)馬達(dá)

德國科學(xué)家在最新一期《自然》雜志上發(fā)表論文稱，他們首次成功使用DNA折疊法制造出了一款分子馬達(dá)。這種由遺傳物質(zhì)制成的新型納米馬達(dá)可以自我組裝并將電能轉(zhuǎn)換為動能，可以開關(guān)，還能通過施加電場控制其轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向，未來有望用于驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)。

汽車、鉆機等機器內(nèi)的馬達(dá)能幫人們完成日常生活中的各種任務(wù)，人體內(nèi)也有天然分子馬達(dá)在執(zhí)行重要任務(wù)，如一種被稱為ATP合成酶的馬達(dá)蛋白產(chǎn)生三磷酸腺苷(ATP)分子，供人體短期儲存和傳遞能量。

天然分子馬達(dá)不可或缺，但在微觀尺度上重建機械性能與ATP合成酶相當(dāng)?shù)鸟R達(dá)則非常困難。現(xiàn)在，研究人員借助DNA折疊術(shù)構(gòu)建了一個能工作的納米級旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。

DNA折疊術(shù)由美國加州理工學(xué)院科學(xué)家保羅·羅斯蒙德于2006年發(fā)明。該研究負(fù)責(zé)人、慕尼黑技術(shù)大學(xué)(TUM)教授亨德里克·迪茨說：“多年來，我們一直在改進(jìn)這種方法，現(xiàn)在可以借此研制出非常精確和復(fù)雜的物體，例如可以捕捉病毒的分子開關(guān)等?！?

新型納米馬達(dá)由DNA材料制成，包含3部分：基座、平臺和轉(zhuǎn)子臂?；s40納米高，固定在溶液中的玻璃板上?；习惭b了一個長500納米的轉(zhuǎn)子臂，使其能夠旋轉(zhuǎn)。位于基座和轉(zhuǎn)子臂之間的平臺對馬達(dá)能否按預(yù)期工作至關(guān)重要。在沒有能量供應(yīng)的情況下，電機的轉(zhuǎn)子臂會因為與周圍溶液中分子的碰撞而隨機移動，一旦通過兩個電極施加交流電壓，轉(zhuǎn)子臂就會在一個方向上旋轉(zhuǎn)。

迪茨表示，這種新型馬達(dá)具有前所未有的機械性能——它每秒產(chǎn)生的能量比兩個ATP分子分裂時釋放的能量還要多。此外，可以通過電場的方向及交流電壓的頻率和幅度來控制轉(zhuǎn)子臂旋轉(zhuǎn)的速度和方向，未來有望用于驅(qū)動用戶定義的化學(xué)反應(yīng)：在表面密布這種馬達(dá)，添加起始材料，隨后施加一點交流電壓，馬達(dá)就會產(chǎn)生理想的化合物。

慕尼黑工業(yè)大學(xué) ( TUM ) 的研究人員開發(fā)了世界上第一個由 DNA 制成的電動納米馬達(dá)。這種自我組裝結(jié)構(gòu)可以被電荷激活，然后旋轉(zhuǎn)一個棘輪轉(zhuǎn)臂。這個微小的馬達(dá)是用一種叫做 DNA 折紙的技術(shù)制成。與其同名的紙藝一樣，該方法涉及將 DNA 鏈復(fù)雜地折疊成三維形狀。

由于這些結(jié)構(gòu)都是通過精心選擇將以特定方式折疊和相互連接的 DNA 序列制成，因此研究人員可以將特定的鏈添加到溶液中從而讓 DNA 物體自己組裝起來。

在這項新研究中，該團(tuán)隊首次利用這一過程用 DNA 制造了一個分子馬達(dá)。該馬達(dá)由一個長達(dá) 500 納米 ( nm ) 的轉(zhuǎn)子臂組成，它被安裝在一個固定在玻璃板上的高約 40 納米的底座上。纏繞在底座頂端 -- 就在轉(zhuǎn)子下方的是一個平臺的表面內(nèi)置了幾個棘輪障礙物，其可以控制轉(zhuǎn)子能夠旋轉(zhuǎn)的方向。

為了打開納米馬達(dá)，從兩個電極施加交流電壓從而使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。研究小組可以通過改變電場的方向及調(diào)整施加電壓的頻率和振幅來控制旋轉(zhuǎn)的速度和方向。

雖然這是第一個用 DNA 制成的納米馬達(dá)，但過去也曾制造過其他類似的設(shè)計。不過研究團(tuán)隊稱，以往的設(shè)計有可能被用來推動微小的機器人，但他們的新 DNA 納米馬達(dá)卻可以被用來做化學(xué)實驗。

該研究的論文第一作者 Hendrik Dietz 說道：" 如果我們進(jìn)一步開發(fā)這個馬達(dá)，那么我們可能在未來用它來驅(qū)動用戶定義的化學(xué)反應(yīng)。如表面可以密集地涂上這種馬達(dá)。然后你將添加起始材料并施加一點交流電壓，這樣電機就會產(chǎn)生所需的化合物。"

在自然界，由蛋白等功能生物大分子組成的納米尺寸的分子馬達(dá)，可以將外部能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能。生命體的很多功能行為，比如物質(zhì)運輸、肌肉收縮等，都可追溯到分子馬達(dá)的推送作用。而最近幾年，納米技術(shù)的蓬勃發(fā)展為構(gòu)建自推進(jìn)人工納米馬達(dá)創(chuàng)造了便利條件。

在所有外界能量供應(yīng)中，光能具有遠(yuǎn)距離無創(chuàng)穿透的特點，其可對人工納米馬達(dá)進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控以實現(xiàn)納米藥物在體內(nèi)的定向運輸。光吸收重金屬，是常見的光熱機理動力引擎，它可驅(qū)動納米馬達(dá)在溶液中熱泳，因其運動機理與周圍化學(xué)物質(zhì)無關(guān)可廣泛適用于多種復(fù)雜環(huán)境。

然而，不可降解的重金屬納米粒導(dǎo)致的生物安全性問題限制了其實際應(yīng)用?；诖耍旖虼髮W(xué)化工學(xué)院高分子科學(xué)與工程系副教授團(tuán)隊，在一項工作中利用具有光響應(yīng)性能的偶氮苯基聚合物聚集體，作為光驅(qū)動有機高分子引擎，通過納米沉淀技術(shù)將其和多種功能高分子進(jìn)行納米尺寸可控組裝，制備出具有不對稱形貌的有機高分子納米馬達(dá)，它具有生物相容性特點。

一方面，有機高分子引擎可通過光熱轉(zhuǎn)換為納米馬達(dá)的熱泳提供動力;同時，光異構(gòu)化內(nèi)部質(zhì)量遷移引起的形變可進(jìn)一步促進(jìn)馬達(dá)推進(jìn)，從而通過偶氮苯基聚合物引擎將光能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，驅(qū)動納米馬達(dá)在溶液中定向運動。

從應(yīng)用上，這款完全有機的光驅(qū)動納米馬達(dá)，在紫外光遙控下有效穿透多重生理屏障，將抗癌藥物定向輸送到腫瘤組織內(nèi)部，最終顯著提高其抗癌活性。與常規(guī)納米馬達(dá)中高分子只作為光熱重金屬引擎的支撐結(jié)構(gòu)不同的是，該納米馬達(dá)實現(xiàn)了和天然分子馬達(dá)一樣的能力——可通過功能高分子本身實現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換以驅(qū)動其運動，這為設(shè)計和構(gòu)建多功能納米馬達(dá)提供了新思路。