即興之作。 這個微型引擎基於一個附著在蛋白質螺旋槳上的單個ATPase分子。它以每秒3到4轉的速度旋轉。 |
這個粗糙的結構實際上是一個馬達。就像年輕的亨利·福特的第一輛T型車一樣，它可能預示著一場同樣重要的工業革命——這次是在十億分之一米的尺度上。由康奈爾大學的生物工程師創造，它使幾年前看起來純粹是理論上的想法成為現實：在分子尺度上製造機器。
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相比之下，使用稱為微加工的技術從矽蝕刻出來的微小齒輪和輪子是龐然大物。但是，由分子大小的發動機驅動的自推進裝置不僅可以在體內發揮作用，而且實際上可以在單個細胞內部發揮作用。為了建造這個微型發電廠，研究人員在 Carlo Montemagno 的帶領下，沒有轉向矽，而是轉向了自然，並將有機物與無機物結合起來。
活細胞也有引擎，例如那些揮動細菌纖毛或在膜上輸送能量的引擎。科學家們以無處不在的分子——酶 ATPase 的形式找到了他們的分子定子和轉子。ATPase 分子馬達存在於線粒體的膜上，線粒體是幾乎所有生物細胞中的微觀結構，以及植物細胞的葉綠體中；在這些細胞器內，酶負責將食物轉化為可用的能量。
強大的引擎。 ATPase 馬達（頂部）構建線上粒體的細胞膜上。它在細胞中移動能量時產生的力使其成為已知最強大的分子馬達之一。 |
ATPase 的移動部分是一箇中心的蛋白質軸（或用電機術語來說是轉子），直徑小於 12 奈米，它透過與該分子的三個質子通道（類似於電動機定子線圈中的電磁鐵）的電化學反應而旋轉。ATP（三磷酸腺苷）是分子馬達運動的燃料。當磷酸原子之間的原子鍵在水解過程中斷裂時，能量就可用了，從而將 ATP 轉化為 ADP（二磷酸腺苷）。在水解過程中，軸以逆時針方向旋轉，而在從 ADP 合成 ATP 的過程中，它以順時針方向旋轉。
為了將 ATPase 製成能夠進行機械工作的馬達，農業和生物工程助理教授 Montemagno 轉向了基因工程。他使用經過改造的大腸桿菌細菌生產 ATPase 分子，這些細菌包含來自嗜熱細菌Bacillus PS3的 ATPase 基因序列。
然後，他使用由組氨酸和其他氨基酸組成的合成肽將分子從細胞膜上分離出來並將其附著到金屬基底上。這些組氨酸肽，就像小“腿”一樣，將分子馬達連線到基底，即金、銅或鎳的納米制造圖案——這是積體電路中可能有一天為馬達提供控制系統的三種標準接觸材料。在這三種金屬中，鎳顯示出最大的附著力。
接下來，研究人員將由聚合蛋白質製成的螺旋槳狀細絲粘合到電機軸的頂部。透過進一步的基因操作，康奈爾大學的工程師們希望大腸桿菌能夠生產出帶有內建微型螺旋槳的 ATPase 分子——使每一個都像一艘奈米快艇。蛋白質“支柱”的長度從 0.5 到 8 微米不等，由一種在某些雷射波長下會發出熒光的材料製成，因此可以觀察到它們的運動。
電機安裝座。 ATPase 電機透過合成肽的“腿”（綠色）連線到納米制造的鎳基底上。這種連線可能使工程師能夠將奈米發動機與積體電路的邏輯整合。
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事實上，觀察如此微小的任何東西的運動幾乎需要與建立它一樣多的技術。在最近的實驗中，康奈爾大學的工程師們用直徑為 1 微米（百萬分之一米）的巨大熒光微球標記了 ATPase 分子的轉子。然後，他們可以使用微分干涉儀和電荷耦合器件動力學相機觀察微球的運動。
當科學家們透過將電機浸入 ATP 溶液中來啟動電機時，轉子以每秒 3 到 4 轉的速度旋轉了 40 分鐘，該小組在 9 月份的奈米技術雜誌上報告說。
儘管如此，微型“智慧”裝置在體內遊動，釋放藥物殺死癌細胞的日子還為時尚早。“我們已經成功地為生產有機/無機混合奈米機電系統 (NEMS) 建立了生物和納米制造平臺，”Montemagno 說。“但是，在將這些小機器放生到人體內之前，我們還有很長的路要走。” 諸如包括熱量和質子在內的廢品對電機效能及其周圍環境的影響等問題必須得到解決。
但有可能的是，這些奈米發動機會在不久的將來泵送流體、開啟和關閉閥門，併為一類新型奈米機械裝置提供機械驅動。“對於一項預計在 2050 年之前不會產生有用裝置的技術，我認為我們已經有了一個很好的開端，”Montemagno 說。