DNA 纳米技术的又一里程碑

作者：张馨予

DNA 纳米技术的又一里程碑

用 DNA 制成的马达

在我们的日常生活中，无论是汽车、钻头还是自动咖啡研磨机，都需要马达来完成各种各样的任务。

在更微小的尺度上，比如在活细胞中，也存在一系列天然的能执行重要任务的分子马达，从摆动细菌的鞭毛，到可储存和转移能量的三磷酸腺苷（ATP）分子。天然分子马达必不可少，但要在这种尺度上复制出具有和天然分子马达功能相近的马达，却是件十分困难的事。

现在，在一项于近期发表在《自然》杂志上的研究中，一组物理学家就利用 DNA 折纸技术，制造出了首个由 DNA 链构建的纳米级电动马达。这并非第一个纳米级的 DNA 马达，但它是首个可真正执行可测量的机械工作的纳米级分子旋转马达。

DNA 纳米技术的又一里程碑

通过 DNA 折纸技术，用 DNA 链构成的马达。（图 /A-K. Pumm et al./Nature）

布朗棘轮机制

在活细胞中，细胞质里的分子和其他粒子会遵循布朗运动，以一种随机的方式不间断地运动。通常，当粒子碰撞在一起时，它们可以相互传递能量。细胞里生物机器也会因为布朗运动而不断受到冲击。

活细胞中充满了分子机器，其中就包括我们前面提到的分子旋转马达。这些分子马达通常遵循棘轮机制，这类似于发条装置中的齿轮——只允许向一个方向转动，不能向另一个方向转动。

要使分子机制的运动具有方向性，首先必须克服在溶液中的随机热力。在新研究中，研究人员希望用 DNA 设计出一种通过布朗运动来驱动的马达——就像在活细胞中发现的那些基于蛋白质的分子机器一样。

用 DNA 折纸技术构建微型马达

现在，研究人员利用DNA 折纸技术，实现了这一想法。

DNA 折纸是一种由Paul Rothemund在 2006 年首次提出的技术，它涉及到使用短的 DNA 链折叠成复杂的有着特殊形状的二维或三维结构。自被提出以来，这项技术已经成了在纳米级尺度上构建结构的一种标准工具。

在新研究中，利用 DNA 折纸技术，研究人员设计和制作了一个高 40 纳米、宽 30 纳米的基座；在基座上，他们固定了一个边长为 60 纳米、厚度为 13 纳米的等边三角形平台；此外，他们还制作了一个总长 500 纳米的转子（或者说旋转臂）。

DNA 纳米技术的又一里程碑

马达的组装步骤示意图。（图 /Nature）

为了制造出棘轮效应，研究人员为三角形平台设计了一个凸起，这个凸起可以充当一个 " 棘轮障碍 "，使旋转臂的旋转更加困难。若要通过障碍并旋转起来，旋转臂必须向上弯曲一点。由布朗运动所提供的动量，通常能使旋转臂克服这个障碍并旋转起来。

DNA 纳米技术的又一里程碑

左：显微镜下能够观察到的马达装置示意图。右：两个铂电极浸入溶液中，并连接到一个函数发生器上，产生方波交流电。（图 /Nature）

在没有任何能量供应的情况下，旋转臂会在周围溶液分子的随机碰撞的驱动下，随机地朝着某一个方向运动。为了应对这个问题，研究人员在装置中加入了两个电极，并向电极施加了交变电场。通过控制电场的方向，以及控制交流电压的频率和振幅，他们可以控制旋转臂的旋转速度和方向，从而实现旋转臂朝着一个方向的连续旋转。

一项了不起的成就

通过将三个 DNA 折纸结构固定在一个玻璃表面上，研究人员将一个被动式的设备变成了真正的由电力驱动的马达，成功地构建了遵循 " 布朗棘轮 " 机制的旋转。在这种机制下，旋转臂的旋转会倾向于向想要的方向转动，而与其相反的方向的转动会遭到阻止。

这是首个由 DNA 制成的纳米级电动马达，它标志着 DNA 纳米技术的又一进步。它的实现证明了用 DNA 就可以制造出一个由多个部件组成的马达。这台纳米级马达具有前所未有的机械性能，甚至可以与细胞中的分子机械相媲美。

它每秒所产生的能量比两个 ATP 分子分裂时所释放的能量还要多，它实现了自我组装，能够将电能转化为动能，它不仅具有开关，而且其旋转速度和旋转方向都可以被人为控制 …… 而如此复杂且功能齐全的结构，完全是通过 DNA 折纸折叠实现的。这是非常了不起的成就。