单位文秘网 2021-07-08 08:26:07 点击: 次
摘 要:本文介绍了分子马达的研究现状,并对它的研究前景进行了展望,更充分地说明了研究分子马达的机制对我们的重要性。
关键词:分子马达纳米机器
中图分类号:TM359.9文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)07(c)-0014-02
1 序言
近些年,随着光钳技术、分子遗传学方法、X射线晶体结构分析以及显微成像等实验方法应用于分子生物学领域,人们对于分子马达的结构及动力学行为的认识有了长足的进展,也使直接研究和操纵单个分子马达成为可能。实验中观测到的分子马达一般在几万到几十万道尔顿,因此分子马达通常被看作布朗粒子,也被称作纳米粒子。在纳米技术的萌芽阶段,科学家已经制造了很多微型器件,但是要实现纳米机器的设想,动力系统是个关键部分,否则工艺再精确,人们也不可能制作出纳米数量级的机械动力系统,因此人们寄希望于分子马达为纳米器件提供动力,如果这个设想可以实现的话,那么分子马达就可以为纳米器件提供能量来源。
2 分子马达的研究现状及前景
日本一研究小组利用分子马达开发出一种新技术,可以将微小颗粒经由生物芯片上的微细通道运送到指定地点,这一技术又称为“分子快递”技术。日本东京大学生产技术研究所藤田博之教授等组成的研究小组研制开发了这一技术。研究人员在生物芯片上设置宽0.5mm、长30mm的通道,并在里面铺设好微管“铁轨”。将用荧光物质标记的直径为0.32μm的微粒附着到驱动蛋白上后放入通道,研究人员观察到微粒以每秒1微米的速度沿“铁轨”运动。利用“分子快递”技术,可以将微小颗粒高效精确地搬运到目的地。这种“分子快递”技术将来可促进特定蛋白质和其他化学物质在芯片上发生高效反应。
宾夕法尼亚大学医学院肌肉研究所Yale Goldman博士的实验室和Erika Holzbaur 实验室的研究人员发表了一组论文,这些论文综合起来证实了一种充当分子马达的蛋白质惊人地灵巧,并能在细胞内轻巧地越过障碍物。利用一种能够一次观察一个大分子的活动的特殊显微镜,研究组发现一种蛋白质马达能够沿着微管来回移动,而不是像之前推测的那样朝一个方向运动。这两种运动蛋白dynein和dynactin是细胞的长途货车,它们能够合作从细胞外围将分子货物运送到细胞核。Holzbaur实验室发文章说他们发现dynactin的一种突变能导致运动神经元的降解——运动神经元疾病的标志。这种突变使dynein-dynactin马达在细胞中运送“废物”的效率降低,并造成细胞中错误折叠的蛋白质的累积,从而导致神经元退化的发生。这些观察结果将有助于更好地治疗运动神经元疾病。
由美国佛罗里达大学化学系华裔科学家谭蔚泓教授领导的一个研究小组,研制出了一种新型的由光子驱动的“分子纳米马达”,这种单分子马达将光能高效率地转变成机械力,不仅能将光能的利用率从过去的10%提高到25%以上,还没有人们所忧虑的在其过程中所产生的环境污染问题。在紫外可见光的照射下,这个单分子纳米马达可以达到40%~50%的开关转换效率,同时,在常温常压下,纳米马达就表现出良好的、规整的可控性,并具有无废料排除的特性。与其他多组分的DNA纳米马达相比,这种单分子马达由于其单组分特性,分子运动主要受独特的分子内相互作用的影响,从而可以减少分子间作用力的干涉,并表现为浓度非依赖性。若把这种马达用来吸收太阳能,相比传统的太阳能电池,能更有效地利用太阳能,目前主要的困难在于如何把这些马达由阳光照射所产生的分子级动力累积在一起,输出可用的动力,并且纳米马达产生的动力与其尺寸有关,纳米马达尺寸很小,目前这项技术离实用还有很远的距离。如果要用这种马达来驱动汽车或其他大型设备,需要把大量的纳米马达装配在一起,目前尚有困难。
纳米器件要投入使用,离不开能量的传递,也就是说需要分子数量级的微小马达。DNA(脱氧核糖核酸)是生物遗传物质的载体。DNA分子马达的优点是可以直接将生物体的生物化学能转换成机械能,而不像通常意义上的马达需要电力。因此,从理论上说,DNA分子马达可以借助一些生物化学变化而进行药物和基因等的传递,比如说,将药物分子直接输送至癌细胞的细胞膜。人们已经利用多个DNA分子制造出了分子马达,但这些马达存在着效率不高、难以控制的缺陷,与多分子DNA马达相比,单DNA分子马达应用起来更为方便,两位旅美中国学者在分子马达研究领域取得新的突破,首次利用单个DNA分子制成了分子马达,这种分子马达在一种生物环境中处于紧凑状态,但在生物环境发生变化后,又会变得松弛。实验证实,采用这一原理制造出的单DNA分子马达具有非常强的工作能力,可以像一条虫子一样伸展和卷曲,实现生物反应能向机械能的转变。采用人工合成的单DNA分子来制造分子马达还有一个好处,即可以根据不同要求而有针对性地设计出DNA分子,使制造出的马达具备各种性能,这些马达可以有不同的效率,可以设计成有很大的做功能力,也可以设计成能把物体搬运到更远的距离。现在还很难预测分子量级的马达什么时候能真正投入实用,下一步目标是要让单DNA分子马达真正移动一个微小物体,并进一步提高其工作效率。
分子马达既然能把生物能转化为机械能,一旦被人类完美地控制,就可以完全充当纳米机器人的发动机。也可以把分子马达看成一个简单的纳米机器人,像一种长了两条“腿”的肌球蛋白分子马达,可以做线性推进运动,在人体内,它的一大作用是在细胞内搬运小泡等物质,理论上,如果再给它装个筐,它也能运我们想运的东西。美国康乃尔大学纳米生物科技研究小组,已成功地制造出与病毒大小差不多的分子马达。该生物分子马达是以200nm长、80nm直径宽的金属镍为轴,并以分子(F1 Adenosine triphosphate synthase 称为F1腺嘌呤核甘三磷酸合成酶素)作为马达,而以长750nm、直径为150nm的镍作为螺旋桨。据研究人员的观察,该分子马达被浸泡至ATP溶液中后,利用生物分子细胞内的化学反应,以ATP作为能源,每秒转速可达8圈,并可连续转动2.5h。像这样的微型分子马达可当作是纳米机器人或其它纳米组件零件的一部分,它的潜在应用价值是非常之大的。也许,将来利用该马达所做成的潜艇就可进入人类的血管之中,不必籍由传统的开刀方式,即可清除脑血管中的血块,清理血管壁上的沉积物质,以排除中风的危险。
当分子马达技术足够成熟时,这一技术还可以为病毒检测提供新的途径,分子马达自重加大,转速就会变慢,如果寻找到办法能够使某一种病毒与分子马达特异性结合,根据这一原理,通过观察分子马达的转速就可以判断是否沾染病毒,从而检测出机体是否被病毒感染。例如唐氏综合症就是由于卵子细胞内的染色体分裂不正确而导致的,被认为与驱动蛋白的缺陷有关,如果能找到一种激活驱动蛋白的方法,就能治疗这类疾病了。
3 结语
科学家们正在使用更加先进的光钳以及光学探测器技术,来探索分子马达的更多秘密。目前利用光钳技术[1]在体外无损的情况下直接观测单个分子马达的运动,得到了许多重要的结果[2,3],与此同时,理论研究也成为分子生物学和统计物理研究中的热点之一[4,5]。基于分子马达对人类发展的重要性,我们正在致力于研究它的神秘能量转化机制,以便更大可能地把它应用于我们的生活中去。
参考文献
[1]A.Ashkin,Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers,Proc.Natl.Acad.Sci.USA,1997,94:4853-4860.
[2]J.T.Finer, et al, Single myosin molecule mechanics:piconewton forces and nanometer seteps[J],Nature,1994,368:113-119.
[3]K.Svoboda,et al,Direct observation of kinesin stepping by optical trappinginterferometry[J],Nature,1993,365: 721-727.
[4]P.Reimann,et al,Flux of particles in sawtooth media,Phys.Rev.Lett.1997,79:3335-3338.
[5]T.Duke and S.Leibler, Motor protein mechanics:A stochastic model with minimal mechano-chemical coupling, Biophys.J,1996,71:1235-1247.
(责任编辑:单位文秘网) )地址:https://www.kgf8887.com/show-245-61827-1.html
版权声明:
本站由单位文秘网原创策划制作,欢迎订阅或转载,但请注明出处。违者必究。单位文秘网独家运营 版权所有 未经许可不得转载使用