全球首创！研究人员借助DNA折叠术构建了一个能工作的纳米级旋转马达

德国科学家在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们首次成功使用DNA折叠法制造出了一款分子马达。这种由遗传物质制成的新型纳米马达可以自我组装并将电能转换为动能，可以开关，还能通过施加电场控制其转速和旋转方向，未来有望用于驱动化学反应。

汽车、钻机等机器内的马达能帮人们完成日常生活中的各种任务，人体内也有天然分子马达在执行重要任务，如一种被称为ATP合成酶的马达蛋白产生三磷酸腺苷(ATP)分子，供人体短期储存和传递能量。

天然分子马达不可或缺，但在微观尺度上重建机械性能与ATP合成酶相当的马达则非常困难。现在，研究人员借助DNA折叠术构建了一个能工作的纳米级旋转马达。

DNA折叠术由美国加州理工学院科学家保罗·罗斯蒙德于2006年发明。该研究负责人、慕尼黑技术大学(TUM)教授亨德里克·迪茨说：“多年来，我们一直在改进这种方法，现在可以借此研制出非常精确和复杂的物体，例如可以捕捉病毒的分子开关等。”

新型纳米马达由DNA材料制成，包含3部分：基座、平台和转子臂。基座约40纳米高，固定在溶液中的玻璃板上。基座上安装了一个长500纳米的转子臂，使其能够旋转。位于基座和转子臂之间的平台对马达能否按预期工作至关重要。在没有能量供应的情况下，电机的转子臂会因为与周围溶液中分子的碰撞而随机移动，一旦通过两个电极施加交流电压，转子臂就会在一个方向上旋转。

迪茨表示，这种新型马达具有前所未有的机械性能——它每秒产生的能量比两个ATP分子分裂时释放的能量还要多。此外，可以通过电场的方向及交流电压的频率和幅度来控制转子臂旋转的速度和方向，未来有望用于驱动用户定义的化学反应：在表面密布这种马达，添加起始材料，随后施加一点交流电压，马达就会产生理想的化合物。

慕尼黑工业大学 ( TUM ) 的研究人员开发了世界上第一个由 DNA 制成的电动纳米马达。这种自我组装结构可以被电荷激活，然后旋转一个棘轮转臂。这个微小的马达是用一种叫做 DNA 折纸的技术制成。与其同名的纸艺一样，该方法涉及将 DNA 链复杂地折叠成三维形状。

由于这些结构都是通过精心选择将以特定方式折叠和相互连接的 DNA 序列制成，因此研究人员可以将特定的链添加到溶液中从而让 DNA 物体自己组装起来。

在这项新研究中，该团队首次利用这一过程用 DNA 制造了一个分子马达。该马达由一个长达 500 纳米 ( nm ) 的转子臂组成，它被安装在一个固定在玻璃板上的高约 40 纳米的底座上。缠绕在底座顶端 -- 就在转子下方的是一个平台的表面内置了几个棘轮障碍物，其可以控制转子能够旋转的方向。

为了打开纳米马达，从两个电极施加交流电压从而使转子旋转。研究小组可以通过改变电场的方向及调整施加电压的频率和振幅来控制旋转的速度和方向。

虽然这是第一个用 DNA 制成的纳米马达，但过去也曾制造过其他类似的设计。不过研究团队称，以往的设计有可能被用来推动微小的机器人，但他们的新 DNA 纳米马达却可以被用来做化学实验。

该研究的论文第一作者 Hendrik Dietz 说道：" 如果我们进一步开发这个马达，那么我们可能在未来用它来驱动用户定义的化学反应。如表面可以密集地涂上这种马达。然后你将添加起始材料并施加一点交流电压，这样电机就会产生所需的化合物。"

在自然界，由蛋白等功能生物大分子组成的纳米尺寸的分子马达，可以将外部能量转变为机械能。生命体的很多功能行为，比如物质运输、肌肉收缩等，都可追溯到分子马达的推送作用。而最近几年，纳米技术的蓬勃发展为构建自推进人工纳米马达创造了便利条件。

在所有外界能量供应中，光能具有远距离无创穿透的特点，其可对人工纳米马达进行远程遥控以实现纳米药物在体内的定向运输。光吸收重金属，是常见的光热机理动力引擎，它可驱动纳米马达在溶液中热泳，因其运动机理与周围化学物质无关可广泛适用于多种复杂环境。

然而，不可降解的重金属纳米粒导致的生物安全性问题限制了其实际应用。基于此，天津大学化工学院高分子科学与工程系副教授团队，在一项工作中利用具有光响应性能的偶氮苯基聚合物聚集体，作为光驱动有机高分子引擎，通过纳米沉淀技术将其和多种功能高分子进行纳米尺寸可控组装，制备出具有不对称形貌的有机高分子纳米马达，它具有生物相容性特点。

一方面，有机高分子引擎可通过光热转换为纳米马达的热泳提供动力;同时，光异构化内部质量迁移引起的形变可进一步促进马达推进，从而通过偶氮苯基聚合物引擎将光能转变为机械能，驱动纳米马达在溶液中定向运动。

从应用上，这款完全有机的光驱动纳米马达，在紫外光遥控下有效穿透多重生理屏障，将抗癌药物定向输送到肿瘤组织内部，最终显著提高其抗癌活性。与常规纳米马达中高分子只作为光热重金属引擎的支撑结构不同的是，该纳米马达实现了和天然分子马达一样的能力——可通过功能高分子本身实现能量转换以驱动其运动，这为设计和构建多功能纳米马达提供了新思路。