中科院化学所最新重大成果：分子马达组装进展

　　

生物通报道：近日，中科院化学研究的科研人员在生物分子组装研究领域取得了重大成功。该所胶体、界面与化学热力学院重点实验室的研究人员在旋转分子马达的分子仿生组装方面取得新进展，研究工作发表在近期出版的Adv. Mater. (2008, 20, 601-605) 上。

 细胞生长代谢的整个过程需要能量，绝大多数情况下能量由ATP的高能键水解而获得，而ATP又是通过ATP合酶合成所得到。ATP合酶是线粒体、叶绿体和细菌中能量转化的核心酶，在跨膜质子动力势的推动下催化合成ATP。近年来，借助分子马达的生物活性和特殊功能开发生物纳米器件用于信息存储和能量转化，已经成为当前纳米生物技术研究领域的热点。

在前期工作中，该研究组将分子马达组装在聚合物微胶囊表面，用于ATP的生物合成，取得了阶段性成果(Angew. Chem. Int. Ed. 2007，46，6996；Biochem. Biophys. Res. Comm. 2007，354，357)。利用“层层组装”技术制备了中空聚电解质微胶囊，然后将ATP合酶成功组装到磷脂修饰的聚合物微胶囊上。研究表明组装后的ATP酶保留了其生物功能，通过更换缓冲溶液改变体系的pH值提供跨膜质子动力势，实现了ATP的生物合成。

在上述工作的基础上，研究人员借助共价键作用利用层层组装技术制备了中空血红蛋白微胶囊，然后在蛋白微胶囊上组装了含ATP合酶的脂质体，从而将分子马达组装到血红蛋白微胶囊表面。利用葡萄糖氧化酶对葡萄糖氧化水解产生的质子H+，形成了跨膜质子流，为ATP合酶合成ATP提供质子动力势(质子泵)。研究发现组装在胶囊表面的ATP合酶仍然保留其催化合成功能，能够将ADP和无机磷酸盐合成ATP，并且合成的ATP能存储在中空蛋白胶囊内部，使胶囊成为ATP的载体。这种生物兼容性的仿生体系研究有助于开发与构建新型的纳米生物机器。

 

分子马达是由生物大分子构成，利用化学能进行机械做功的纳米系统。天然的分子马达，如：驱动蛋白、RNA聚合酶、肌球蛋白等，在生物体内参与了胞质运输、DNA复制、细胞分裂、肌肉收缩等一系列重要生命活动。分子马达包括线性推进和旋转式两大类。其中线性分子马达是将化学能转化为机械能，并沿着一条线性轨道运动的生物分子，主要包括肌球蛋白（myosin）、驱动蛋白（kinesin）、DNA解旋酶（DNA helicase）和RNA聚合酶(RNA polymerase)等。其中肌肉肌球蛋白是研究得较为深入的一种，它们以肌动蛋白（actin）为线性轨道，其运动过程与ATP水解相偶联。而驱动蛋白则以微管蛋白为轨道，沿微管的负极向正极运动，并由此完成各种细胞内外传质功能。目前对于驱动蛋白运动机制提出了步行（"hand-over-hand"）模型，驱动蛋白的两个头部交替与微管结合，以步行方式沿微管运动，运动的步幅是8 nm。

 

近来的研究发现它们有相同的中心核结构，并以相似的构象变化将ATP能量转变为蛋白运动。DNA解旋酶作为线性分子马达，以DNA分子为轨道，与ATP水解释放的能量相偶联，在释放ADP和Pi的同时将DNA双链分开成两条互补单链。RNA聚合酶则在DNA转录过程中，沿DNA模板迅速移动，消耗的能量来自核苷酸的聚合及RNA的折叠反应。

此前，美国康纳尔大学的科学家利用ATP酶作为分子马达，研制出了一种可以进入人体细胞的纳米机电设备--"纳米直升机"。该设备共包括三个组件，两个金属推进器和一个附属于与金属推进器相连的金属杆的生物分子组件。其中的生物分子组件将人体的生物"燃料"ATP转化为机械能量，使得金属推进器的运转速率达到每秒8圈。这种技术仍处于研制初期，它的控制和如何应用仍是未知数。将来有可能完成在人体细胞内发放药物等医疗任务。（生物通雪花）