用DNA构建的纳米级转子：科学家建造世界上最小的流动驱动马达

几千年来，旋转电机一直是人类社会的动力源泉。我们可以回顾一下历史，横跨荷兰和世界的风车和水车。今天，先进的海上风力涡轮机驱动着我们绿色能源的未来。

“这些由水流驱动的旋转马达，在生物细胞中也有突出的特点。一个例子是FoF1-ATP合成酶，它产生细胞运作所需的燃料。但迄今为止，纳米级的合成结构仍然难以捉摸，”代尔夫特理工大学（TU Delft）仿生科学系Cees Dekker教授实验室的博士后研究员施新（音译）博士说。

“我们的流动驱动马达是由DNA材料制成的。这种结构被对接在一个纳米孔上，一个微小的开口，在一个薄薄的膜上。在电场的作用下，厚度仅为7纳米的DNA束自我组织成一个类似转子的构造，随后被设定为每秒超过10转的持续旋转运动，”研究的第一作者施新说。

“已经7年了，我们一直在尝试自下而上地合成这种旋转的纳米电机。我们与慕尼黑工业大学的亨德里克-迪茨实验室合作，使用了一种叫做DNA折纸的技术，”监督这项研究的Cees Dekker补充说。“这项技术利用互补的DNA碱基对之间的特定相互作用来构建二维和三维纳米物体。转子利用来自水和离子流的能量。这是通过施加电压或更简单的方式建立的：通过在膜的两边有不同的盐浓度。后者实际上是生物学中最丰富的能量来源之一，为各种关键过程提供动力，包括细胞燃料合成和细胞推进。”

解决一个难题

这项成就是一个里程碑，因为它是有史以来第一次在纳米尺度上实现流动驱动的主动转子的实验。然而，当研究人员第一次观察到旋转时，他们感到困惑：如此简单的DNA棒如何能表现出这些漂亮、持续的旋转？在与理论家Ramin Golestanian和他在哥廷根的马克斯-普朗克动力学和自组织研究所的团队的讨论中，这个难题得到了解决。他们对该系统进行了建模，并揭示了迷人的自组织过程，在这个过程中，束状物自发地变形为手性旋转体，然后与来自纳米孔的流动相耦合。

从简单到合理的设计

施新说：“这个自组织过程真正显示了简单的美。但是这项工作的重要性并不局限于这个简单的转子本身。它背后的技术和物理机制建立了一个全新的构建合成纳米马达的方向：流动驱动的纳米涡轮机，这是一个令人惊讶的未被科学家和工程师探索的领域。你会惊讶于我们在建造这种流动驱动的纳米涡轮机方面所知道的和所取得的成就是如此之少，特别是考虑到我们在建造它们的宏观对应物方面有几千年的知识，以及它们在生命本身所发挥的关键作用。”

在进一步的步骤中（已在预印本中），该小组利用他们从构建这种自组织转子中学到的知识，取得了下一个重要进展：第一个合理设计的纳米级涡轮机。“就像科学和技术总是这样，我们从一个简单的风车开始，现在能够重现美丽的荷兰风车，但这次的尺寸只有25纳米，相当于你体内一个蛋白质的大小，”施新说，“而且我们证明了它们承载负荷的能力。”

“而现在，旋转方向是由设计的手性设定的，”Dekker补充说。“左手的涡轮机顺时针旋转；右手的涡轮机逆时针旋转。”

除了更好地理解和模仿FoF1-ATP合成酶等运动蛋白外，这些结果为在纳米尺度上设计主动式机器人打开了新的前景。施新表示：“我们在这里展示的是一个纳米级的发动机，它真正能够传递能量并做功。你可以用18世纪蒸汽机的首次发明来做个比喻。谁能预料到它是如何从根本上改变我们的社会的呢？我们现在可能正处于与这些分子纳米发动机类似的阶段。潜力是无限的，但仍有许多工作要做。”