这种新型的纳米马达带有RNA聚合酶，它可以把两个“把手”拉在一起，然后再释放它们。这就产生了脉冲运动。资料来源:Mathias Centola/波恩大学

波恩大学开发的这台机器的尺寸只有万分之一毫米。

由波恩大学领导的一个国际科学家小组开发了一种新型纳米马达。它由一个聪明的机构驱动，可以进行脉冲运动。研究人员现在正计划将其安装在一个联轴器上，并将其安装在复杂机器上作为驱动器。他们的研究结果发表在《自然纳米技术》杂志上。

运动功能及其类比

这种新型的马达类似于握力训练器，经常使用时可以加强你的握力。然而，马达要小一百万倍。两个手柄通过弹簧连接成v形结构。

在握力训练器中，你要顶住弹簧的阻力把两个把手挤在一起。一旦你松开手柄，弹簧就会把手柄推回到原来的位置。“我们的马达使用了非常相似的原理，”波恩大学生命与医学科学(LIMES)研究所的Michael Famulok教授解释说。“但是把手不是压在一起的，而是拉在一起的。”

为此，研究人员重新设计了一种机制，没有这种机制就不会有植物或动物。每个牢房都配备了一种图书馆。它包含了细胞执行其功能所需的所有类型蛋白质的蓝图。如果细胞想要产生某种类型的蛋白质，它会订购相应蓝图的副本。这个转录本是由RNA聚合酶产生的。

这种新型的纳米马达带有RNA聚合酶，它可以把两个“把手”拉在一起，然后再释放它们。这就产生了脉冲运动。资料来源:Mathias Centola/波恩大学

RNA聚合酶驱动脉冲运动

最初的蓝图由长链DNA组成。RNA聚合酶沿着这些链移动，逐个字母复制存储的信息。“我们将RNA聚合酶附着在纳米机器的一个手柄上，”法穆洛克解释说，他也是波恩大学跨学科研究领域“生命与健康”和“物质”的成员。“在距离很近的情况下，我们还在两个把手之间拉伸了一条DNA链。聚合酶抓住这条链进行复制。它把自己拉到支架上，非转录的部分变得越来越小。这一点一点地将第二个手柄拉向第一个手柄，同时压缩弹簧。”

电机运行周期

手柄之间的DNA链在其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，让它释放DNA。弹簧现在可以再次放松，将手柄分开。这使得链的起始序列靠近聚合酶，分子复印机可以开始一个新的转录过程，这样循环就重复了。“通过这种方式，我们的纳米马达执行脉冲动作，”法穆洛克教授领导的研究小组的马蒂亚斯·森托拉解释说，他进行了大部分实验。

字母汤可以作为燃料

这种电机也需要能量，就像任何其他类型的电机。它是由聚合酶产生转录本的“字母汤”提供的。这些字母中的每一个(在技术术语中:核苷酸)都有一个由三个磷酸基团组成的小尾巴-三磷酸。为了在现有的句子上附加一个新字母，聚合酶必须去除两个磷酸基团。这就释放了能量，可以用来连接字母。“因此，我们的马达使用三磷酸核苷酸作为燃料，”Famulok说。“只有当有足够数量的人可用时，它才能继续运行。”

通过监测单个纳米马达，位于美国密歇根州的合作伙伴之一能够证明它们实际上进行了预期的运动。亚利桑那州的一个研究小组也在高速计算机上模拟了这一过程。例如，研究结果可用于优化电机，使其在特定的脉动率下工作。

此外，研究人员还证明，这种马达可以很容易地与其他结构结合在一起。这应该使它有可能，例如，在一个表面上徘徊——类似于一只尺蠖，它以自己特有的方式沿着树枝牵引自己。Famulok解释说:“我们还计划生产一种离合器，它可以让我们只在特定时间使用电机的功率，否则就会让它闲置。”从长远来看，马达可能会成为复杂纳米机器的心脏。“然而，在我们达到这一阶段之前，还有很多工作要做。”

有关这项研究的更多信息，请参阅DNA纳米引擎:为未来纳米机器提供动力的革命性马达。

参考资料:“一个有节奏的脉冲叶弹簧dna折纸纳米引擎，驱动被动追随者”，作者:Mathias Centola, Erik Poppleton, Sujay Ray, Martin Centola, Robb Welty, Julián Valero, Nils G. Walter, peter ?ulc和Michael Famulok, 2023年10月19日，Nature Nanotechnology。DOI: 10.1038 / s41565 - 023 - 01516 - x

除波恩大学外，该项目的其他参与者还包括马克斯普朗克行为神经生物学研究所(波恩)、马克斯普朗克生物物理研究所(法兰克福)、密歇根大学(美国)和亚利桑那州立大学(美国)。这项研究得到了亚历山大·冯·洪堡基金会、马克斯·普朗克学会、波恩大学、美国国家科学基金会(NSF)、欧洲研究委员会(ERC)和美国国立卫生研究院(NIH)的资助。