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          生物納米馬達

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          生物納米馬達

          生物納米馬達,又稱生物馬達分子、分子馬達或納米機器,是由生物大分子構成并將化學能轉化為機械能的納米系統。天然的分子馬達,如:驅動蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等,在生物體內的胞質運輸、DNA復制、細胞分裂、肌肉收縮等生命活動起著重要作用。它是馬達家族的革命,標志著人類由制造物理馬達到制造生物馬達的理想成為現實。納米馬達這種聚合物分子含有數對氮原子,氮原子兩側各有一個苯環,環與環之間的氮“橋”扭結在一起。分子的往復伸縮形變就是馬達的運轉。分子馬達的種類和運動方式見下表:

          馬達種類發動機部件能量來源運動方式

          細胞肌架蛋白驅動蛋白微管蛋白ATP直線運動

          肌球蛋白肌動蛋白ATP直線運動

          旋轉馬達F1一ATP酶F1復合物ATP旋轉運動

          細菌鞭毛很多的蛋白質H+/Na+旋轉運動

          核苷酸馬達聚合酶DNA—RNAATP直線運動

          解旋轉酶DNA—RNAATP直線運動

          (出處見參考文獻1)

          分子馬達方面的一個新進展是將DNA用于納米機械裝置制成DNA馬達。2000年8月,Bell實驗室和牛津大學的研究者開發了一個DNA馬達。據預測,DNA馬達技術可制造比當今快1000倍的計算機。在制作DNA馬達時DNA既是結構材料,而且也作為“燃料”。

          2001年4月,美國康奈爾大學的研究者研制出一臺生物分子納米發動機。據稱,這臺生物分子納米發動機僅一個病毒般大小,由有機物充當的發動機和鎳無機物充當的螺旋槳兩部分組成。整臺發動機機長750納米,寬150納米。這臺發動機是由ATP(三磷酸腺苷)提供能量,即生物體內的三磷酸腺苷分子為納米馬達供電,由ATP合成酶驅動發動機運轉。每加一次能量,納米發動機可連續工作一小時。科學家高度評價此項科技成果,認為生物分子納米發動機在醫學領域將大有用武之地。例如,它可以充當一個“小護士”,巡視全身;它還可以在體內充當一個“小藥劑師”,解釋細胞發出的化學信號,計算必要的劑量,在人體內直接分配藥量等[7-9]。

          近兩年對分子馬達研究最多的仍是美國,涉及馬達蛋白的生物物理、生物化學特性;分子馬達裝配于納米機械系統;利用水凝膠表層定位或集成分子馬達蛋白;通過35nm的phi29納米驅動pRNA粒子傳遞基因治療的siRNA和ribozyme顆粒等研究;在真核細胞的直徑為25nm的封閉微管中,含驅動蛋白的分子馬達所進行的輸送傳遞。此外,荷蘭、瑞士等國也對兩個分子馬達合成方法,分子馬達高精度驅動有所研究。

          采用“(molecul*ornano*)andmotor*”策略在歐洲專利局網站檢索,將所得相關專利列表如下:

          專利名公告號/公告日申請號/申請日申請人同族專利

          一種標有與驅動蛋白相關的新型著絲點的獨立核酸分子及其使用US2005164201

          2005-07-28US20040517510

          2004-12-10HARVEYDIANEM(US);YANGYI(US);

          采用分子馬達的單分子探測器WO2005080603

          2005-09-01WO2004US42358

          2004-12-17UNIVARIZONA(US);

          HELIYAN(US);

          旋轉分子馬達V1-ATPaseEP1566435

          2005-08-24EP20030754061

          2003-10-09JAPANSCIENCE&TECHAGENCY(JP)WO2004046350(A1)

          JP2004166612(A)

          間質膠原酶分子馬達WO2005061700

          2005-07-07WO2004US38236

          2004-12-09UNIVWASHINGTON(US);GOLDBERGGREGORY(US);(+4)

          采用F1-ATPase生物分子馬達的單分子探測器US2003215844

          2003-11-20US20030365378

          2003-2-11CHAPSKYLARS(US);FRASCHWAYNED(US);

          標有新型分子驅動蛋白的基因及其對疾病的診斷方法WO02097079

          2002-12-05WO2002JP05226

          2002-05-29JAPANASREPRESENTEDBYTHEPR(JP);HIROKAWANOBUTAKA(JP);(+1)WO02097079(A3)

          EP1390483(A3)

          EP1390483(A2)

          分子馬達WO0109181

          2001-02-08WO2000US20925

          2000-07-31USHEALTH(US);SCHNEIDERTHOMASD(US)EP1204680(A1)

          CA2380611(A1)

          光驅動的分子旋轉馬達US6180940

          2001-01-30US19980055745

          1998-04-07UNIVLAVAL(US)

          可驅動小顆粒的納米級裝置DE19917848

          2000-10-19DE199910178481999-04-15INSTMOLEKULAREBIOTECHNOLOGIE(DE)

          參考文獻:

          1.分子馬達的研究與應用前景.微電機2005,38(2)67-69

          2.能探測病毒的納米器件

          /news/scinews/2004/10/10/20041010142644.htm

          3.Controlofabiomolecularmotor-powerednanodevicewithanengineeredchemicalswitch

          NatureMaterialsv1n3November2002.p173-178

          4.DeliveryofsiRNAandribozymeforgenetherapyby35-nmnanoparticlesofphi29motorpRNA

          MeetingAbstracts2004JointInternationalMeeting-206thMeetingoftheElectrochemicalSociety/2004FallMeetingoftheElectrochemicalSocietyofJapan,MA2004-022004.

          5.Functionalhydrogelsurfaces:Bindingkinesin-basedmolecularmotorproteinstoselectedpatternedsites.AdvancedFunctionalMaterialsv15n8August2005.p1303-1309

          6.SynthesisoffunctionalizedmolecularmotorsSynthesisn11Jul152005.p1789-1796

          7.Guidingmotor-propelledmoleculeswithnanoscaleprecisionthroughsilanizedbi-channelstructuresNanotechnologyv16n6Jun12005.p710-717