即兴之作。 这个微型引擎基于一个附着在蛋白质螺旋桨上的单个ATPase分子。它以每秒3到4转的速度旋转。 |
这个粗糙的结构实际上是一个马达。就像年轻的亨利·福特的第一辆T型车一样，它可能预示着一场同样重要的工业革命——这次是在十亿分之一米的尺度上。由康奈尔大学的生物工程师创造，它使几年前看起来纯粹是理论上的想法成为现实：在分子尺度上制造机器。
关于支持科学新闻
如果您喜欢这篇文章，请考虑通过以下方式支持我们屡获殊荣的新闻工作 订阅。通过购买订阅，您正在帮助确保有关塑造我们当今世界的发现和想法的具有影响力的故事的未来。
相比之下，使用称为微加工的技术从硅蚀刻出来的微小齿轮和轮子是庞然大物。但是，由分子大小的发动机驱动的自推进设备不仅可以在体内发挥作用，而且实际上可以在单个细胞内部发挥作用。为了建造这个微型发电厂，研究人员在 Carlo Montemagno 的带领下，没有转向硅，而是转向了自然，并将有机物与无机物结合起来。
活细胞也有引擎，例如那些挥动细菌纤毛或在膜上输送能量的引擎。科学家们以无处不在的分子——酶 ATPase 的形式找到了他们的分子定子和转子。ATPase 分子马达存在于线粒体的膜上，线粒体是几乎所有生物细胞中的微观结构，以及植物细胞的叶绿体中；在这些细胞器内，酶负责将食物转化为可用的能量。
强大的引擎。 ATPase 马达（顶部）构建在线粒体的细胞膜上。它在细胞中移动能量时产生的力使其成为已知最强大的分子马达之一。 |
ATPase 的移动部分是一个中心的蛋白质轴（或用电机术语来说是转子），直径小于 12 纳米，它通过与该分子的三个质子通道（类似于电动机定子线圈中的电磁铁）的电化学反应而旋转。ATP（三磷酸腺苷）是分子马达运动的燃料。当磷酸原子之间的原子键在水解过程中断裂时，能量就可用了，从而将 ATP 转化为 ADP（二磷酸腺苷）。在水解过程中，轴以逆时针方向旋转，而在从 ADP 合成 ATP 的过程中，它以顺时针方向旋转。
为了将 ATPase 制成能够进行机械工作的马达，农业和生物工程助理教授 Montemagno 转向了基因工程。他使用经过改造的大肠杆菌细菌生产 ATPase 分子，这些细菌包含来自嗜热细菌Bacillus PS3的 ATPase 基因序列。
然后，他使用由组氨酸和其他氨基酸组成的合成肽将分子从细胞膜上分离出来并将其附着到金属基底上。这些组氨酸肽，就像小“腿”一样，将分子马达连接到基底，即金、铜或镍的纳米制造图案——这是集成电路中可能有一天为马达提供控制系统的三种标准接触材料。在这三种金属中，镍显示出最大的附着力。
接下来，研究人员将由聚合蛋白质制成的螺旋桨状细丝粘合到电机轴的顶部。通过进一步的基因操作，康奈尔大学的工程师们希望大肠杆菌能够生产出带有内置微型螺旋桨的 ATPase 分子——使每一个都像一艘纳米快艇。蛋白质“支柱”的长度从 0.5 到 8 微米不等，由一种在某些激光波长下会发出荧光的材料制成，因此可以观察到它们的运动。
电机安装座。 ATPase 电机通过合成肽的“腿”（绿色）连接到纳米制造的镍基底上。这种连接可能使工程师能够将纳米发动机与集成电路的逻辑集成。
|
事实上，观察如此微小的任何东西的运动几乎需要与创建它一样多的技术。在最近的实验中，康奈尔大学的工程师们用直径为 1 微米（百万分之一米）的巨大荧光微球标记了 ATPase 分子的转子。然后，他们可以使用微分干涉仪和电荷耦合器件动力学相机观察微球的运动。
当科学家们通过将电机浸入 ATP 溶液中来启动电机时，转子以每秒 3 到 4 转的速度旋转了 40 分钟，该小组在 9 月份的纳米技术杂志上报告说。
尽管如此，微型“智能”设备在体内游动，释放药物杀死癌细胞的日子还为时尚早。“我们已经成功地为生产有机/无机混合纳米机电系统 (NEMS) 建立了生物和纳米制造平台，”Montemagno 说。“但是，在将这些小机器放生到人体内之前，我们还有很长的路要走。” 诸如包括热量和质子在内的废品对电机性能及其周围环境的影响等问题必须得到解决。
但有可能的是，这些纳米发动机会在不久的将来泵送流体、打开和关闭阀门，并为一类新型纳米机械设备提供机械驱动。“对于一项预计在 2050 年之前不会产生有用设备的技术，我认为我们已经有了一个很好的开端，”Montemagno 说。