生物納米馬達研究論文

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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。家高度評價此項成果，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，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)

：

1.分子馬達的與前景.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