用 DNA 制成的馬達

在我們的日常生活中，無論是汽車、鉆頭還是自動咖啡研磨機，都需要馬達來完成各種各樣的任務。

在更微小的尺度上，比如在活細胞中，也存在一系列天然的能執行重要任務的分子馬達，從擺動細菌的鞭毛，到可儲存和轉移能量的三磷酸腺苷（ATP）分子。天然分子馬達必不可少，但要在這種尺度上復制出具有和天然分子馬達功能相近的馬達，卻是件十分困難的事。

現在，在一項于近期發表在《自然》雜志上的研究中，一組物理學家就利用 DNA 折紙技術，制造出了首個由 DNA 鏈構建的納米級電動馬達。這并非第一個納米級的 DNA 馬達，但它是首個可真正執行可測量的機械工作的納米級分子旋轉馬達。

通過 DNA 折紙技術，用 DNA 鏈構成的馬達。（圖 /A-K. Pumm et al./Nature）

布朗棘輪機制

在活細胞中，細胞質里的分子和其他粒子會遵循布朗運動，以一種隨機的方式不間斷地運動。通常，當粒子碰撞在一起時，它們可以相互傳遞能量。細胞里生物機器也會因為布朗運動而不斷受到沖擊。

活細胞中充滿了分子機器，其中就包括我們前面提到的分子旋轉馬達。這些分子馬達通常遵循棘輪機制，這類似于發條裝置中的齒輪——只允許向一個方向轉動，不能向另一個方向轉動。

要使分子機制的運動具有方向性，首先必須克服在溶液中的隨機熱力。在新研究中，研究人員希望用 DNA 設計出一種通過布朗運動來驅動的馬達——就像在活細胞中發現的那些基于蛋白質的分子機器一樣。

用 DNA 折紙技術構建微型馬達

現在，研究人員利用DNA 折紙技術，實現了這一想法。

DNA 折紙是一種由Paul Rothemund在 2006 年首次提出的技術，它涉及到使用短的 DNA 鏈折疊成復雜的有著特殊形狀的二維或三維結構。自被提出以來，這項技術已經成了在納米級尺度上構建結構的一種標準工具。

在新研究中，利用 DNA 折紙技術，研究人員設計和制作了一個高 40 納米、寬 30 納米的基座；在基座上，他們固定了一個邊長為 60 納米、厚度為 13 納米的等邊三角形平臺；此外，他們還制作了一個總長 500 納米的轉子（或者說旋轉臂）。

馬達的組裝步驟示意圖。（圖 /Nature）

為了制造出棘輪效應，研究人員為三角形平臺設計了一個凸起，這個凸起可以充當一個 " 棘輪障礙 "，使旋轉臂的旋轉更加困難。若要通過障礙并旋轉起來，旋轉臂必須向上彎曲一點。由布朗運動所提供的動量，通常能使旋轉臂克服這個障礙并旋轉起來。

左：顯微鏡下能夠觀察到的馬達裝置示意圖。右：兩個鉑電極浸入溶液中，并連接到一個函數發生器上，產生方波交流電。（圖 /Nature）

在沒有任何能量供應的情況下，旋轉臂會在周圍溶液分子的隨機碰撞的驅動下，隨機地朝著某一個方向運動。為了應對這個問題，研究人員在裝置中加入了兩個電極，并向電極施加了交變電場。通過控制電場的方向，以及控制交流電壓的頻率和振幅，他們可以控制旋轉臂的旋轉速度和方向，從而實現旋轉臂朝著一個方向的連續旋轉。

一項了不起的成就

通過將三個 DNA 折紙結構固定在一個玻璃表面上，研究人員將一個被動式的設備變成了真正的由電力驅動的馬達，成功地構建了遵循 " 布朗棘輪 " 機制的旋轉。在這種機制下，旋轉臂的旋轉會傾向于向想要的方向轉動，而與其相反的方向的轉動會遭到阻止。

這是首個由 DNA 制成的納米級電動馬達，它標志著 DNA 納米技術的又一進步。它的實現證明了用 DNA 就可以制造出一個由多個部件組成的馬達。這臺納米級馬達具有前所未有的機械性能，甚至可以與細胞中的分子機械相媲美。

它每秒所產生的能量比兩個 ATP 分子分裂時所釋放的能量還要多，它實現了自我組裝，能夠將電能轉化為動能，它不僅具有開關，而且其旋轉速度和旋轉方向都可以被人為控制 …… 而如此復雜且功能齊全的結構，完全是通過 DNA 折紙折疊實現的。這是非常了不起的成就。