單分子實驗揭示了人工分子馬達(dá)的受力能力
新加坡國立大學(xué)的物理學(xué)家表明，單個人造分子馬達(dá)可以表現(xiàn)出類似于自然產(chǎn)生的力量，為人類肌肉提供動力。他們的結(jié)果發(fā)表在Nanoscale上。
分子馬達(dá)是一類具有納米級尺寸的機(jī)器，是生物體運動的重要媒介。它們利用體內(nèi)的各種能源來產(chǎn)生機(jī)械運動。一個關(guān)鍵特性是單個電機(jī)在其自行運動期間產(chǎn)生的力。這種力產(chǎn)生能力允許分子馬達(dá)提供機(jī)械功，并且是其能量轉(zhuǎn)換效率的衡量標(biāo)準(zhǔn)，這會影響其在潛在應(yīng)用中的使用。
由通常由蛋白質(zhì)制成的天然分子馬達(dá)產(chǎn)生的力的測量是在 20 年前實現(xiàn)的。然而，對由 DNA(脫氧核糖核酸)制成的人造分子馬達(dá)的類似測量仍然是一個挑戰(zhàn)。來自新加坡國立大學(xué)物理系的王志松副教授的分子電機(jī)實驗室和閆杰教授的單分子生物物理實驗室之間的研究合作成功地檢測到了由移動的 DNA 分子電機(jī)產(chǎn)生的力。
對于人工馬達(dá)來說，很難檢測運動中的單個分子馬達(dá)所產(chǎn)生的力，因為它們很小并且主要在軟軌道上運行(例如，雙鏈 DNA)。軟軌的位置不固定，往往會盤繞成圓形。這會影響人造馬達(dá)的運動。研究小組通過設(shè)計和執(zhí)行平行的單分子實驗克服了這一困難，這些實驗將軌道保持在納米級水平，同時檢測移動分子馬達(dá)產(chǎn)生的微小力。使用磁性鑷子技術(shù)，他們首先在順磁珠(分離生物分子的工具)下組裝了一個人造分子馬達(dá)及其軌道。然后他們將順磁珠切換到力檢測模式(見圖)。
研究小組成功地將他們的方法應(yīng)用于自主DNA分子馬達(dá)(之前由王教授實驗室開發(fā))。這種雙足分子馬達(dá)能夠自行連續(xù)“行走”，每一步之間的步幅長度約為 16 nm，最大輸出力約為 2 到 3 pN。該測得的力輸出水平接近為人類肌肉提供動力的自然發(fā)生的分子馬達(dá)，表明化學(xué)能相當(dāng)有效地轉(zhuǎn)化為機(jī)械運動。
王教授說：“這項研究為開發(fā)與需要產(chǎn)生力的平移人工分子馬達(dá)相關(guān)的應(yīng)用鋪平了道路。例子包括分子機(jī)器人和仿生人造肌肉。另外，這項工作中建立的單分子方法是適用于許多其他具有軟軌道的人造分子馬達(dá)的力測量。”
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