分子马达

分子马达是由生物大分子构成,利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达,如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等,在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。分子马达包括线性推进和旋转式两大类。其中线性分子马达是将化学能转化为机械能,并沿着一条线性轨道运动的生物分子,主要包括肌球蛋白(myosin)、驱动蛋白(kinesin)、DNA解旋酶(DNA helicase)和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。其中肌肉肌球蛋白是研究得较为深入的一种,它们以肌动蛋白(actin)为线性轨道,其运动过程与ATP水解相偶联。而驱动蛋白则以微管蛋白为轨道,沿微管的负极向正极运动,并由此完成各种细胞内外传质功能。目前对于驱动蛋白运动机制提出了步行("hand-over-hand")模型,驱动蛋白的两个头部交替与微管结合,以步行方式沿微管运动,运动的步幅是8 nm。目前, ATP水解与肌球蛋白和驱动蛋白的机械运动之间的化学机械偶联的关系还不清楚。近来的研究发现它们有相同的中心核结构,并以相似的构象变化将ATP能量转变为蛋白运动。DNA解旋酶作为线性分子马达,以DNA分子为轨道,与ATP水解释放的能量相偶联,在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成两条互补单链。RNA聚合酶则在DNA转录过程中,沿DNA模板迅速移动,消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应。

旋转式分子马达工作时,类似于定子和转子之间的旋转运动,比较典型的旋转式发动机有F1-ATP酶。ATP酶是一种生物体中普遍存在的酶。它由两部分组成,一部分结合在线粒体膜上,称为F0；另一部分在膜外,称为F1。F0-ATP酶的a、b和c亚基构成质子流经膜的通道。当质子流经F0时产生力矩,从而推动了F1-ATP酶的g亚基的旋转。g亚基的顺时针与逆时针旋转分别与ATP的合成和水解相关联。F1-ATP酶直径小于12 nm,能产生大于100 pN 的力,无载荷时转速可达17转/秒。F1-ATP酶与纳米机电系统(nanoNEMS)的组合已成为新型纳米机械装置。

美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达,研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--"纳米直升机"。该设备共包括三个组件,两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物"燃料"ATP转化为机械能量,使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期,它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。