一个国际科学家小组最近开发出一种由 DNA 制成的新型纳米发动机。它由一种巧妙的机制驱动，可以进行脉动运动。研究人员目前正计划为它安装一个耦合器，并将其作为复杂纳米机械的驱动装置。他们的研究成果于10月19日发表在《自然-纳米技术》（Nature Nanotechnology）杂志上。
亚利桑那州立大学分子科学学院和分子设计与生物仿生学生物设计中心的助理教授 Petr Šulc 与德国波恩大学的 Famulok 教授（项目负责人）和密歇根大学的 Walter 教授合作完成了这个项目。
Šulc利用其研究小组的计算机建模工具，深入了解了这种叶片弹簧纳米发动机的设计和运行。该结构由近 14,000 个核苷酸组成，这些核苷酸构成了 DNA 的基本结构单元。
Šulc解释说："如果没有oxDNA（我们小组用于设计DNA纳米结构的计算机模型），就不可能模拟如此大型纳米结构的运动。这是首次成功设计出化学驱动的 DNA 纳米技术电机。我们很高兴我们的研究方法有助于对它的研究，并期待着在未来制造出更复杂的纳米装置。"
这种新型发动机类似于手部握力训练器，经常使用可以增强握力。不过，这种发动机的体积要小一百万倍左右。两个手柄通过弹簧连接在一个 V 形结构中。
运行示意图。资料来源：亚利桑那州立大学
在手部握力训练器中，手柄在弹簧的阻力下挤压在一起。一旦松手，弹簧就会将手柄推回原位。"波恩大学生命与医学科学（LIMES）研究所的 Michael Famulok 教授说："我们的电机采用了非常相似的原理。"但手柄不是压在一起，而是拉在一起"。
研究人员重新利用了一种机制，没有这种机制，地球上就不会有动植物。每个细胞都配备了一个图书馆。它包含了每个细胞执行其功能所需的各类蛋白质的蓝图。如果细胞想要生产某种类型的蛋白质，它就会从相应的蓝图中复制一份。这种转录本由称为 RNA 聚合酶的酶产生。
原始蓝图由 DNA 长链组成。RNA 聚合酶沿着这些链移动，一个字母一个字母地复制存储的信息。"我们将 RNA 聚合酶连接到纳米机器的一个手柄上，"同时也是波恩大学"生命与健康"和"物质"跨学科研究领域成员的法穆洛克解释道。"在两个手柄之间，我们还紧密地连接了一条 DNA 链。聚合酶抓住这条链进行复制。它沿着链条拉动自身，未被复制的部分变得越来越小。这就把第二个手柄一点一点地拉向第一个手柄，同时压缩弹簧"。
在 oxDNA 模型中模拟的叶片弹簧纳米引擎。资料来源：亚利桑那州立大学
手柄之间的 DNA 链在末端前不久包含一个特殊的字母序列。这个所谓的终止序列向聚合酶发出信号，让它放开 DNA。弹簧现在可以再次放松，并将手柄分开。这样，链的起始序列就靠近了聚合酶，分子复制器就可以开始新的转录过程： 如此循环往复。法穆洛克教授领导的研究小组的马蒂亚斯-森托拉（Mathias Centola）解释说："这样，我们的纳米马达就能执行脉动动作。"
与其他类型的电机一样，这种电机也需要能量。聚合酶产生转录本的"字母汤"提供了能量。每一个字母（专业术语：核苷酸）都有一个由三个磷酸基团组成的小尾巴--三磷酸。为了在现有句子上连接一个新字母，聚合酶必须移除其中的两个磷酸基团。这样可以释放能量，用于将字母连接在一起。"因此，我们的发动机使用三磷酸核苷酸作为燃料。只有当有足够数量的三磷酸核苷酸时，它才能继续运转"。
Petr Šulc 是亚利桑那州立大学分子科学学院和分子设计与生物仿生学生物设计中心的助理教授。资料来源：Mary Zhu
研究人员能够证明，这种马达可以很容易地与其他结构相结合。例如，这将使它有可能在表面上游荡--类似于尺蠖以自己特有的方式沿着树枝拉动自己。"法姆洛克解释说："我们还计划生产一种离合器，这样我们就可以只在特定时间使用电机的动力，而在其他时间让它处于空转状态。从长远来看，电机可以成为复杂纳米机械的核心。不过，在达到这一阶段之前，我们还有很多工作要做。"
Šulc的实验室是一个高度跨学科的实验室，它将统计物理学和计算建模方法广泛应用于化学、生物学和纳米技术领域的问题。该研究小组开发了新的多尺度模型来研究生物分子之间的相互作用，特别是在设计和模拟 DNA 和 RNA 纳米结构和器件方面。
"就像我们日常使用的复杂机器--飞机、汽车和电子产品中的芯片--需要复杂的计算机辅助设计工具来确保它们发挥预期的功能一样，分子科学领域也迫切需要获得这样的方法"。分子科学学院院长Tijana Rajh教授说："Petr Šulc和他的研究小组正在进行极具创新性的分子科学研究，他们利用计算化学和物理学的方法研究生物学和纳米技术背景下的DNA和RNA分子。我们分子科学学院的年轻教师取得了非凡的成就，Šulc 教授是这方面的典范。"
DNA 和 RNA 是生命的基本分子。它们具有多种功能，包括活细胞中的信息存储和信息传递。它们在纳米技术领域也有广阔的应用前景，设计好的 DNA 和 RNA 链可用于组装纳米级结构和设备。这有点像玩乐高积木，只不过每个乐高积木只有几纳米（百万分之一毫米）大小，不是把每个积木放到它应该去的地方，而是把它们放在一个盒子里，然后随意摇晃，直到只有想要的结构出来为止。
"这一领域的应用前景广阔，包括诊断学、治疗学、分子机器人学和新材料的构建，"Šulc说。"我的实验室开发了设计这些砌块的软件，我们与亚利桑那大学以及美国和欧洲其他大学的实验小组密切合作。随着该领域的不断进步，我们实现了新的先进设计，并成功地在纳米尺度上运行它们，看到我们的方法被用于设计和表征日益复杂的纳米结构，真是令人兴奋。"