波恩大學的科學家和波恩的凱撒研究所的科學家們與來自美國的同事們一起使用納米結(jié)構(gòu)來構(gòu)建一個微型機器，該機器構(gòu)成一個旋轉(zhuǎn)馬達，可以朝著特定的方向移動。研究人員使用DNA的圓形結(jié)構(gòu)。結(jié)果現(xiàn)在將在Nature Nanotechnology雜志上發(fā)表。

納米機器包括復雜蛋白質(zhì)和核酸的結(jié)構(gòu)，其由化學能提供動力并且可以執(zhí)行定向運動。該原理從自然界已知：例如，細菌使用鞭毛向前推進。波恩大學，波恩研究所Caesar和密歇根大學(美國)的團隊使用DNA納米環(huán)形結(jié)構(gòu)。兩個環(huán)像鏈一樣鏈接。波恩大學生命與醫(yī)學科學(LIMES)研究所的Michael Famulok教授解釋說：“一個環(huán)履行輪子的功能，另一個環(huán)在化學能的幫助下驅(qū)動它像發(fā)動機一樣。”

微型車只能測量約30納米(百萬分之一毫米)。“燃料”由蛋白質(zhì)“T7 RNA聚合酶”提供。與作為引擎的環(huán)結(jié)合，該酶基于DNA序列合成RNA鏈，并使用在該過程中釋放的化學能來進行DNA環(huán)的旋轉(zhuǎn)運動。“隨著輪換的進行，RNA鏈就像RNA聚合酶中的一條線一樣生長，”來自Famulok團隊的主要作者JuliánValero博士說。研究人員正在使用這種不斷擴大的RNA線，它基本上從發(fā)動機作為廢物突出，通過在DNA納米管軌道上使用標記來保持小型車輛的運行。

試駕長度為240納米

連接到這個線程的獨輪車機器在其測試驅(qū)動器上覆蓋了大約240納米。“這是第一次，”Famulok說。“賽道可以根據(jù)需要進行擴展。” 在下一步中，研究人員不僅要擴大路線的長度，還要在測試軌道上規(guī)劃更復雜的挑戰(zhàn)。在內(nèi)置交叉點，納米機器應該決定走哪條路。“我們可以使用我們的方法來預先決定機器應該采取哪種轉(zhuǎn)向，”Valero說，展望未來。

當然，科學家們無法用肉眼觀察小型車輛。通過使用原子力顯微鏡掃描納米機器的表面結(jié)構(gòu)，科學家們能夠可視化互鎖的DNA環(huán)。此外，該團隊使用熒光標記顯示機器的“輪子”實際上正在轉(zhuǎn)動。一旦納米獨輪車通過它們，納米管路徑上的熒光“方式標記”就會亮起?；诖?，還可以計算車輛的速度：車輪轉(zhuǎn)一圈大約需要十分鐘。這不是很快，但對研究人員邁出了一大步。“沿著理想的方向移動納米機器并非易事，”Famulok說。

機器的組件通過自組織組裝

當然，與宏觀機器不同，納米機器沒有用焊槍或扳手組裝。建筑基于自組織原則。如在活細胞中一樣，當相應的組分可用時，所需的結(jié)構(gòu)自發(fā)地產(chǎn)生。“它就像一個想象中的謎題，”Famulok解釋道。每個拼圖都旨在與非常具體的合作伙伴互動。如果您將這些伙伴精確地放在一個容器中，每個粒子都會找到它的伙伴，并自動創(chuàng)建所需的結(jié)構(gòu)。

到目前為止，全世界的科學家已經(jīng)開發(fā)了許多納米機器和納米發(fā)動機。但是Famulok團隊開發(fā)的方法是一個完全新穎的原則。“這是一個很大的進步：在納米尺度上可靠地設(shè)計和實現(xiàn)這樣的事情并不容易，”科學家說。他的團隊希望盡快開發(fā)更復雜的納米發(fā)動機系統(tǒng)。“這是基礎(chǔ)研究，”Famulok說。“不可能確切地看到它將在哪里領(lǐng)先。” 通過一些想象，可能的應用可以例如包括基于分子運動執(zhí)行邏輯運算的分子計算機。此外，微型機器可以將藥物通過血液精確地運送到需要的地方。“但這些仍然是未來的愿景，”Famulok說。