用 DNA 制成的馬達(dá)

在我們的日常生活中，無論是汽車、鉆頭還是自動(dòng)咖啡研磨機(jī)，都需要馬達(dá)來完成各種各樣的任務(wù)。

在更微小的尺度上，比如在活細(xì)胞中，也存在一系列天然的能執(zhí)行重要任務(wù)的分子馬達(dá)，從擺動(dòng)細(xì)菌的鞭毛，到可儲(chǔ)存和轉(zhuǎn)移能量的三磷酸腺苷（ATP）分子。天然分子馬達(dá)必不可少，但要在這種尺度上復(fù)制出具有和天然分子馬達(dá)功能相近的馬達(dá)，卻是件十分困難的事。

現(xiàn)在，在一項(xiàng)于近期發(fā)表在《自然》雜志上的研究中，一組物理學(xué)家就利用 DNA 折紙技術(shù)，制造出了首個(gè)由 DNA 鏈構(gòu)建的納米級(jí)電動(dòng)馬達(dá)。這并非第一個(gè)納米級(jí)的 DNA 馬達(dá)，但它是首個(gè)可真正執(zhí)行可測(cè)量的機(jī)械工作的納米級(jí)分子旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。

通過 DNA 折紙技術(shù)，用 DNA 鏈構(gòu)成的馬達(dá)。（圖 /A-K. Pumm et al./Nature）

布朗棘輪機(jī)制

在活細(xì)胞中，細(xì)胞質(zhì)里的分子和其他粒子會(huì)遵循布朗運(yùn)動(dòng)，以一種隨機(jī)的方式不間斷地運(yùn)動(dòng)。通常，當(dāng)粒子碰撞在一起時(shí)，它們可以相互傳遞能量。細(xì)胞里生物機(jī)器也會(huì)因?yàn)椴祭蔬\(yùn)動(dòng)而不斷受到?jīng)_擊。

活細(xì)胞中充滿了分子機(jī)器，其中就包括我們前面提到的分子旋轉(zhuǎn)馬達(dá)。這些分子馬達(dá)通常遵循棘輪機(jī)制，這類似于發(fā)條裝置中的齒輪——只允許向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，不能向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

要使分子機(jī)制的運(yùn)動(dòng)具有方向性，首先必須克服在溶液中的隨機(jī)熱力。在新研究中，研究人員希望用 DNA 設(shè)計(jì)出一種通過布朗運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)——就像在活細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的那些基于蛋白質(zhì)的分子機(jī)器一樣。

用 DNA 折紙技術(shù)構(gòu)建微型馬達(dá)

現(xiàn)在，研究人員利用DNA 折紙技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了這一想法。

DNA 折紙是一種由Paul Rothemund在 2006 年首次提出的技術(shù)，它涉及到使用短的 DNA 鏈折疊成復(fù)雜的有著特殊形狀的二維或三維結(jié)構(gòu)。自被提出以來，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)成了在納米級(jí)尺度上構(gòu)建結(jié)構(gòu)的一種標(biāo)準(zhǔn)工具。

在新研究中，利用 DNA 折紙技術(shù)，研究人員設(shè)計(jì)和制作了一個(gè)高 40 納米、寬 30 納米的基座；在基座上，他們固定了一個(gè)邊長(zhǎng)為 60 納米、厚度為 13 納米的等邊三角形平臺(tái)；此外，他們還制作了一個(gè)總長(zhǎng) 500 納米的轉(zhuǎn)子（或者說旋轉(zhuǎn)臂）。

馬達(dá)的組裝步驟示意圖。（圖 /Nature）

為了制造出棘輪效應(yīng)，研究人員為三角形平臺(tái)設(shè)計(jì)了一個(gè)凸起，這個(gè)凸起可以充當(dāng)一個(gè) " 棘輪障礙 "，使旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)更加困難。若要通過障礙并旋轉(zhuǎn)起來，旋轉(zhuǎn)臂必須向上彎曲一點(diǎn)。由布朗運(yùn)動(dòng)所提供的動(dòng)量，通常能使旋轉(zhuǎn)臂克服這個(gè)障礙并旋轉(zhuǎn)起來。

左：顯微鏡下能夠觀察到的馬達(dá)裝置示意圖。右：兩個(gè)鉑電極浸入溶液中，并連接到一個(gè)函數(shù)發(fā)生器上，產(chǎn)生方波交流電。（圖 /Nature）

在沒有任何能量供應(yīng)的情況下，旋轉(zhuǎn)臂會(huì)在周圍溶液分子的隨機(jī)碰撞的驅(qū)動(dòng)下，隨機(jī)地朝著某一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。為了應(yīng)對(duì)這個(gè)問題，研究人員在裝置中加入了兩個(gè)電極，并向電極施加了交變電場(chǎng)。通過控制電場(chǎng)的方向，以及控制交流電壓的頻率和振幅，他們可以控制旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)速度和方向，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)臂朝著一個(gè)方向的連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

一項(xiàng)了不起的成就

通過將三個(gè) DNA 折紙結(jié)構(gòu)固定在一個(gè)玻璃表面上，研究人員將一個(gè)被動(dòng)式的設(shè)備變成了真正的由電力驅(qū)動(dòng)的馬達(dá)，成功地構(gòu)建了遵循 " 布朗棘輪 " 機(jī)制的旋轉(zhuǎn)。在這種機(jī)制下，旋轉(zhuǎn)臂的旋轉(zhuǎn)會(huì)傾向于向想要的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，而與其相反的方向的轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)遭到阻止。

這是首個(gè)由 DNA 制成的納米級(jí)電動(dòng)馬達(dá)，它標(biāo)志著 DNA 納米技術(shù)的又一進(jìn)步。它的實(shí)現(xiàn)證明了用 DNA 就可以制造出一個(gè)由多個(gè)部件組成的馬達(dá)。這臺(tái)納米級(jí)馬達(dá)具有前所未有的機(jī)械性能，甚至可以與細(xì)胞中的分子機(jī)械相媲美。

它每秒所產(chǎn)生的能量比兩個(gè) ATP 分子分裂時(shí)所釋放的能量還要多，它實(shí)現(xiàn)了自我組裝，能夠?qū)㈦娔苻D(zhuǎn)化為動(dòng)能，它不僅具有開關(guān)，而且其旋轉(zhuǎn)速度和旋轉(zhuǎn)方向都可以被人為控制 …… 而如此復(fù)雜且功能齊全的結(jié)構(gòu)，完全是通過 DNA 折紙折疊實(shí)現(xiàn)的。這是非常了不起的成就。