向大自然学习,做出人造分子马达

2016-11-180阅读0

  日本信息通信研究机构(NICT)2016年11月15日宣布,通过人为设计,成功开发出了新型生物分子马达。相关技术在纳米级无法避免的激烈热运动中也可高效发挥作用,有望作为人造分子机器的设计原理加以利用,有助于将来开发出生物体亲和性高的致动器(比如人造肌肉)以及模仿生物的新型信息处理装置。

  

此次制作的分子马达的示意图

  (摘自NICT的新闻发布资料)

  在细胞中工作的蛋白质的大小为数纳米至数十纳米,身处于周围分子激烈热运动的环境中。即使在这种状况下,负责在细胞内传输物质的生物分子马达也可高效率地自主单方向运动。也就是说,在激烈的热运动中制造了具有方向性的运动,而这一分子机器构建上的最基本设计原理却一直未能查明。

  

分子马达驱动被荧光染色的肌动蛋白纤维的示意图

  对利用荧光显微镜拍摄的影像进行了加工,按不同时间标记不同颜色后使所有帧重叠,显示出了虹色轨迹(摘自NICT的新闻发布资料)

  此次,研究人员以已知生物分子马达之一——动力蛋白(Dynein)为基础,融合了与肌动蛋白纤维结合的肌动蛋白结合蛋白质模块,并未融合本来的与微小管结合的模块。结果发现,与非原本结合对象的肌动蛋白纤维结合,呈现出了使动力蛋白单方向运动的能力。另外还发现,通过改变功能模块的组合方式,还可使运动方向逆转。

  

利用环形序列重组技术更换组合模块

  通过更换组合模块,使运动方向逆转(摘自NICT的新闻发布资料)

  分子马达的机理可理解为3项要素的集合,分别为:(1)具有与作为轨道的纤维蛋白质(微小管及肌动蛋白)的立体特异性结合部位;(2)使用ATP水解能,反复以适当时标结合、分离;(3)这种结合及分离过程拥有向蛋白纤维一端的偏倚性。此次通过对自然界中大量存在的集合了这3项要求的功能模块进行选择和组合,距离揭示纳米级分子马达在热运动中产生单方向运动的原理已经非常接近。

  此次发现的分子马达原理除了蛋白质外还有望应用于有机材料等纳米材料,可为新型分子机器的设计及构筑提供帮助。此次成果已于2016年11月14日发表在《自然纳米技术》(Nature Nanotechnology)的在线速报版上。(特约撰稿人:工藤 宗介)

  (全文完)