生物纳米马达

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生物纳米马达，又称生物马达分子、分子马达或纳米机器，是由生物大分子构成并将化学能转化为机械能的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内的胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等生命活动起着重要作用。它是马达家族的革命，标志着人类由制造物理马达到制造生物马达的理想成为现实。纳米马达这种聚合物分子含有数对氮原子，氮原子两侧各有一个苯环，环与环之间的氮“桥”扭结在一起。分子的往复伸缩形变就是马达的运转。分子马达的种类和运动方式见下表：

马达种类发动机部件能量来源运动方式

细胞肌架蛋白驱动蛋白微管蛋白ATP直线运动

肌球蛋白肌动蛋白ATP直线运动

旋转马达F1一ATP酶F1复合物ATP旋转运动

细菌鞭毛很多的蛋白质H+/Na+旋转运动

核苷酸马达聚合酶DNA—RNAATP直线运动

解旋转酶DNA—RNAATP直线运动

（出处见参考文献1）

分子马达方面的一个新进展是将DNA用于纳米机械装置制成DNA马达。2000年8月，Bell实验室和牛津大学的研究者开发了一个DNA马达。据预测，DNA马达技术可制造比当今快1000倍的计算机。在制作DNA马达时DNA既是结构材料，而且也作为“燃料”。

2001年4月，美国康奈尔大学的研究者研制出一台生物分子纳米发动机。据称，这台生物分子纳米发动机仅一个病毒般大小，由有机物充当的发动机和镍无机物充当的螺旋桨两部分组成。整台发动机机长750纳米，宽150纳米。这台发动机是由ATP（三磷酸腺苷）提供能量，即生物体内的三磷酸腺苷分子为纳米马达供电，由ATP合成酶驱动发动机运转。每加一次能量，纳米发动机可连续工作一小时。科学家高度评价此项科技成果，认为生物分子纳米发动机在医学领域将大有用武之地。例如，它可以充当一个“小护士”，巡视全身；它还可以在体内充当一个“小药剂师”，解释细胞发出的化学信号，计算必要的剂量，在人体内直接分配药量等[7-9]。

近两年对分子马达研究最多的仍是美国，涉及马达蛋白的生物物理、生物化学特性；分子马达装配于纳米机械系统；利用水凝胶表层定位或集成分子马达蛋白；通过35nm的phi29纳米驱动pRNA粒子传递基因治疗的siRNA和ribozyme颗粒等研究；在真核细胞的直径为25nm的封闭微管中，含驱动蛋白的分子马达所进行的输送传递。此外，荷兰、瑞士等国也对两个分子马达合成方法，分子马达高精度驱动有所研究。

采用“(molecul*ornano*)andmotor*”策略在欧洲专利局网站检索，将所得相关专利列表如下：

专利名公告号/公告日申请号/申请日申请人同族专利

一种标有与驱动蛋白相关的新型着丝点的独立核酸分子及其使用US2005164201

2005-07-28US20040517510

2004-12-10HARVEYDIANEM(US);YANGYI(US);

采用分子马达的单分子探测器WO2005080603

2005-09-01WO2004US42358

2004-12-17UNIVARIZONA(US);

HELIYAN(US);

旋转分子马达V1-ATPaseEP1566435

2005-08-24EP20030754061

2003-10-09JAPANSCIENCE&TECHAGENCY(JP)WO2004046350(A1)

JP2004166612(A)

间质胶原酶分子马达WO2005061700

2005-07-07WO2004US38236

2004-12-09UNIVWASHINGTON(US);GOLDBERGGREGORY(US);(+4)

采用F1-ATPase生物分子马达的单分子探测器US2003215844

2003-11-20US20030365378

2003-2-11CHAPSKYLARS(US);FRASCHWAYNED(US);

标有新型分子驱动蛋白的基因及其对疾病的诊断方法WO02097079

2002-12-05WO2002JP05226

2002-05-29JAPANASREPRESENTEDBYTHEPR(JP);HIROKAWANOBUTAKA(JP);(+1)WO02097079(A3)

EP1390483(A3)

EP1390483(A2)

分子马达WO0109181

2001-02-08WO2000US20925

2000-07-31USHEALTH(US);SCHNEIDERTHOMASD(US)EP1204680(A1)

CA2380611(A1)

光驱动的分子旋转马达US6180940

2001-01-30US19980055745

1998-04-07UNIVLAVAL(US)

可驱动小颗粒的纳米级装置DE19917848

2000-10-19DE199910178481999-04-15INSTMOLEKULAREBIOTECHNOLOGIE(DE)

参考文献：

1.分子马达的研究与应用前景.微电机2005，38(2)67-69

2.能探测病毒的纳米器件

/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