一项7月20日发表于《自然》的研究中，物理学家用DNA链构建了一个分子级马达，并可通过“拧紧”DNA“弹簧”来储存能量。该技术为旨在寻找合成明升手机和药物递送等领域应用的“DNA折纸术”提供了新技巧。
研究团队成员之一、德国慕尼黑工业大学的生物物理学家Hendrik Dietz指出，这不是第一个以DNA为材料构建的纳米马达，但“肯定是第一个真正能执行可量化机械工作的马达”。
在活细胞中，包括旋转分子马达在内的分子机器随处可见，从细菌鞭毛摆动到产生构成细胞能量储备的ATP分子，都离不开它们。这些分子马达通常为棘轮机构，类似于时钟里的齿轮机构，这使得它们只能朝一个方向旋转。
此外，这些生物机器同活细胞内的其他物质一样进行布朗运动（细胞质中的分子和其他粒子进行的恒定、随机运动），当它们碰撞在一起时，就可以相互传递能量。
Dietz和同事受此启发，想用DNA制造一种可由布朗运动驱动的马达，就像在细胞中那些以蛋白质为材料构成的天然分子马达一样。
他们采用了新的“DNA折纸术”，即将噬菌体的单链DNA环与短链人工合成DNA（可匹配噬菌体基因组中特定位点的碱基序列）混合在一起，短链段与长链结合，使后者折叠成所需的形状。
采用上述方法，Dietz团队用DNA构建了一个三角形的平台，每个平台的中间都有一根“杆子”。他们将上述结构粘贴到玻璃表面，再添加长的DNA旋臂。该旋臂附着在平台上，可以围绕杆旋转。
为了产生棘轮效应，研究人员在平台上设置了凸起，使旋转更加困难。只有布朗运动提供的“碰撞”才能使旋臂克服颠簸并旋转，但通常只能转半圈，而且在没有任何干预的情况下，这种旋转随机进行。
因此，研究小组将两个电极浸入溶液中，并释放交流电。电压的变化改变了DNA旋臂所经历的能量景貌，并通布朗式棘轮机制使其更倾向于朝一个方向旋转。
这就将无源器件变成了真正的马达。显微镜图像表明，在这些条件下，每条旋臂能够平均保持在向同一方向旋转。而具体旋转的方向则取决于三角形底座相对于电极的精确方向。
至此，就其本身而言，这种纳米级马达只不过克服了周围溶液的阻力。为了证明该马达可以做潜在有用的工作，研究人员将另一条DNA链连接到转子上，使其像用于转动机械表齿轮的弹簧一样旋转。这种机制可以帮助纳米机器储存能量或拉动其他机械部件。
相关论文信息：http://doi.org/10.1038/s41586-022-04910-y
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