西安交通大学：《纳米生物技术 Nano-biotechnology》课程教学课件（讲稿）第七节 分子马达和纳米生物机器人

内容提要1.分子马达2.纳米生物机器人2

内容提要 1.分子马达 2 2.纳米生物机器人

1.分子马达什么是分子马达？所谓分子马达molecularmotor)即分子机械，是指分子水平（纳米尺度）的一种复合体系，是能够作为机械部件的最小实体。2016年诺贝尔化学奖得主研究发明的分子车它的驱动方式是通过外部刺激（如采用化学、电化学、光化学等方法改变环境)使分子结构、构型或构象发生较大程度的变化，并且必须保证这种变化是可控和可调制的，而不是无规的，从而使体系在理论上具备对外做机械功的可能性。2016年诺贝尔化学奖得主研究发明的分子车[1]:https://weinami.xcu.edu.cn/info/1088/2735.htm3[2]:http://mt.sohu.com/20161010/n469869029.shtml

1. 分子马达 3 什么是分子马达？ 所谓分子马达(molecular motor)即分子机械，是指分子 水平(纳米尺度)的一种复合体系，是能够作为机械部件的最小 实体。 它的驱动方式是通过外部刺激(如采用化学、电化学、光 化学等方法改变环境)使分子结构、构型或构象发生较大程度 的变化，并且必须保证这种变化是可控和可调制的，而不是无 规的，从而使体系在理论上具备对外做机械功的可能性。 2016年诺贝尔化学奖得主研究发 明的分子车 [1]:https://weinami.xcu.edu.cn/info/1088/2735.htm [2]:http://mt.sohu.com/20161010/n469869029.shtml 2016年诺贝尔化学奖得主研究发 明的分子车

1.分子马达世界上最小的分子马达在哪里？就在我们每个人的身体里，分子马达是生物体内的一类蛋白质，就像传统的马达一样。它们“燃烧”燃料，做出特定的运动，完成特定的功能：它们是生物体内的“化学能与机械能之间的转换器”：某些分子马达也有定子、转子，只不过它们的尺寸都非常小，以纳米为单位，所以被称为世界上最小的一类马达。可双向移动的分子马达[1]:http://www.ex12580.com/ysj/show/7708.html

1. 分子马达 4 世界上最小的分子马达在哪里？ 就在我们每个人的身体里。 分子马达是生物体内的一类蛋白质，就像传统的 马达一样。它们“燃烧”燃料，做出特定的运动，完 成特定的功能：它们是生物体内的“化学能与机械能 之间的转换器”；某些分子马达也有定子、转子，只 不过它们的尺寸都非常小，以纳米为单位，所以被称 可双向移动的分子马达 为世界上最小的—类马达。 [1]:http://www.ex12580.com/ysj/show/7708.html

1.分子马达生命在于运动，机体的一切活动，，从肌生命的一切运动来自于肉收缩、细胞内部的运输、遗传物质（DNA)分子马达做功的复制、一直到细胞的分裂等等，追踪到分子水平，都是来源于具有马达功能的蛋白质molecularchassis分子底盘大分子做功推动的结果。因此它们被称为分子马达、蛋自质马达或蛋白质机器等。到目rotating前为止，已有百种以上的分子马达被确定molecularmotor它们在机体内执行着各种各样的生物功能。旋转着的分子马达分子马达都是沿着相应的蛋自丝做定向运动这些蛋白丝起着“轨道”的作用，它们都是Illustration:Johan Jarnestad/TheRoyalSwedishAcademyof Sciences有极性的，因而也是有方向性的。2016年诺贝尔化学奖得主研究发明的分子车[1]:https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_15388595

1. 分子马达 5 生命的一切运动来自于 分子马达做功 生命在于运动，机体的一切活动，从肌 肉收缩、细胞内部的运输、遗传物质(DNA) 的复制、—直到细胞的分裂等等，追踪到分 子水平，都是来源于具有马达功能的蛋白质 大分子做功推动的结果。因此它们被称为分 子马达、蛋白质马达或蛋白质机器等。到目 前为止，已有百种以上的分子马达被确定， 它们在机体内执行着各种各样的生物功能。 分子马达都是沿着相应的蛋白丝做定向运动。 这些蛋白丝起着“轨道”的作用，它们都是 2016年诺贝尔化学奖得主研究发明的分子车 有极性的，因而也是有方向性的。 [1]:https://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1538859

1.分子马达化学能一一→→机械能直接转换这些分子马达可高效率地将储藏在三磷酸腺苷(ATP)分子中的化学能直接转换为机械能，产生协调的定向运动而做功。GlucoseH,O迄今为止，人类尚无由化学能直接转换为机械能做功的任何记载。那么由生物体反映出的这一独特的能量转换形式不仅对于生命活动是至关重要的，而且可以使人类从新的角度去认识、研究上海应物所在单分子酶和利用这一能量转换的分子机制。因此分子马达做功原理及能量促反应分子马达研究转换机制已成为分子生物学、物理学、生物化学等诸多学科中最引人注目的问题之一，并会在相当长时间里成为多学科所共同面临的一个极具挑战性的科学研究领域。[1]SunL,GaoY,YanX,etal.Real-TimeImagingofSingle-MoleculeEnzymeCascadeUsingaDNAOrigami6Raft[JJ.JournaloftheAmericanChemicalSociety,2017,139(48):17525-17532

1. 分子马达 6 化学能→→→机械能直接转换 这些分子马达可高效率地将储藏在三磷酸腺苷(ATP)分子中的 化学能直接转换为机械能，产生协调的定向运动而做功。 迄今为止，人类尚无由化学能直接转换为机械能做功的任何 记载。 那么由生物体反映出的这一独特的能量转换形式不仅对于生 命活动是至关重要的，而且可以使人类从新的角度去认识、研究 和利用这一能量转换的分子机制。因此分子马达做功原理及能量 转换机制已成为分子生物学、物理学、生物化学等诸多学科中最 引人注目的问题之一，并会在相当长时间里成为多学科所共同面 临的一个极具挑战性的科学研究领域。 上海应物所在单分子酶 促反应分子马达研究 [1] Sun L , Gao Y , Yan X , et al. Real-Time Imaging of Single-Molecule Enzyme Cascade Using a DNA Origami Raft[J]. Journal of the American Chemical Society, 2017, 139(48):17525-17532

1.分子马达结构与功能上的多样性基于DNA折纸术(DNAorigami)发展了一种对界面上酶级联反应中的单个酶分子运动轨迹实时成像的方法，并对酶分子趋向运动机制作出解释。研究人员以胆固醇修饰的DNA分子为锚定链，并利用胆固醇分子可以嵌入磷脂双层膜的特点，将酶分子固定在二维磷脂分子界面。研究发现，不同锚定手段可以控制酶分子在二维磷脂界面上的运动速度。其中，利用双链DNA动态锚定（dynamictethering）的酶分子，可以在二维界面上自由扩散：而利用DNA折纸（origamiraft）静态锚定（statictethering）的酶分子，则固定在磷脂膜上不动。基于此，科研人员在磷脂双分子层的二维界面上构建了一个酶级联反应：其中上游的葡萄糖氧化酶在界面上固定不动，而下游的过氧化氢酶可以在界面上自由扩散。利用全内反射显微镜，他们实时观测了单个酶分子的运动轨迹[1]SunL,GaoY,YanX,etal.Real-TimeImagingofSingle-MoleculeEnzymeCascadeUsingaDNAOrigami7Raft[JJ.JournaloftheAmericanChemicalSociety,2017,139(48):17525-17532

1. 分子马达 7 结构与功能上的多样性 基于DNA折纸术(DNA origami)发展了一种对界面上酶级联反应中的单个酶分子运动 轨迹实时成像的方法，并对酶分子趋向运动机制作出解释。研究人员以胆固醇修饰的DNA 分子为锚定链，并利用胆固醇分子可以嵌入磷脂双层膜的特点，将酶分子固定在二维磷脂 分子界面。 研究发现，不同锚定手段可以控制酶分子在二维磷脂界面上的运动速度。其中，利用 双链DNA动态锚定（dynamic tethering）的酶分子，可以在二维界面上自由扩散；而利 用DNA折纸筏（origami raft）静态锚定（static tethering）的酶分子，则固定在磷脂膜 上不动。 基于此，科研人员在磷脂双分子层的二维界面上构建了一个酶级联反应：其中上游的 葡萄糖氧化酶在界面上固定不动，而下游的过氧化氢酶可以在界面上自由扩散。利用全内 反射显微镜，他们实时观测了单个酶分子的运动轨迹。 [1] Sun L , Gao Y , Yan X , et al. Real-Time Imaging of Single-Molecule Enzyme Cascade Using a DNA Origami Raft[J]. Journal of the American Chemical Society, 2017, 139(48):17525-17532

1.分子马达结构与功能上的多样性研究发现：以葡萄糖氧化酶分子为坐标中心，下游的过氧化氢酶分子的平动速率确实随上游底物葡萄糖的增加而加快，但上下游酶分子的相对空间距离并未随酶促反应而改变他们利用Einsteinrelation计算了界面上过氧化氢酶分子的自旋弛豫时间发现过氧化氢酶的转动速率大大快于其平动速率，过氧化氢酶分子转动一圈的时间内，其平动距离仅为其自身直径的1/6，即便在酶促反应中，酶分子也并不存在趋向运动，趋向运动是平动与转动的竞争平衡结GlucoseH.ODNOr上海应物所在单分子酶促反应分子马达研究[1]SunL,GaoY,YanXetal.Real-TimeImagingofSingle-MoleculeEnzymeCascadeUsingaDNAOrigami8Raff[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety,2017,139(48):17525-17532

1. 分子马达 8 结构与功能上的多样性 研究发现：以葡萄糖氧化酶分子为坐标中心，下游的过氧化氢酶分子的平动 速率确实随上游底物葡萄糖的增加而加快，但上下游酶分子的相对空间距离并未 随酶促反应而改变。 他们利用Einstein relation计算了界面上过氧化氢酶分子的自旋弛豫时间， 发现过氧化氢酶的转动速率大大快于其平动速率，过氧化氢酶分子转动一圈的时 间内，其平动距离仅为其自身直径的1/6，即使在酶促反应中，酶分子也并不存 在趋向运动，趋向运动是平动与转动的竞争平衡结。 [1] Sun L , Gao Y , Yan X , et al. Real-Time Imaging of Single-Molecule Enzyme Cascade Using a DNA Origami Raft[J]. Journal of the American Chemical Society, 2017, 139(48):17525-17532. 上海应物所在单分子酶促 反应分子马达研究

1.分子马达首个DNA材料制成的纳米马达面世德国科学家迪茨在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们首次成功使用DNA折叠法制造出了一款分子马达。这种由遗传物质制成的新型纳米马达可以自我组装并将电能转换为动能，可以开关，还能通过施加电场控制其转速和旋转方向，未来有望用于驱动化学反应。新型纳米马达由DNA材料制成，包含3部分：基座、平台和转子臂。基座约40纳米高，固定在溶液中的玻璃板上。基座上安装了一个长500纳米的转子臂，使其能够旋转。位于基座和转子臂之间的平台对马达能否按预期工作至关重要。在没有能量供应的情况下，电机的转子臂会因为与周围溶液中分子的碰撞而随机移动，一旦通过两个电极施加交流电压，转子臂就会在一个方向上旋转。[1]PummAK,EngelenW,KoppergerE,etal.ADNAorigami rotary ratchetmotor[J].Nature,2022.6079

1. 分子马达 9 首个DNA材料制成的纳米马达面世 德国科学家迪茨在最新一期《自然》杂志上发表论文称，他们首次 成功使用DNA折叠法制造出了一款分子马达。这种由遗传物质制成的 新型纳米马达可以自我组装并将电能转换为动能，可以开关，还能通过 施加电场控制其转速和旋转方向，未来有望用于驱动化学反应。新型纳 米马达由DNA材料制成，包含3部分：基座、平台和转子臂。基座约 40纳米高，固定在溶液中的玻璃板上。基座上安装了一个长500纳米的 转子臂，使其能够旋转。位于基座和转子臂之间的平台对马达能否按预 期工作至关重要。在没有能量供应的情况下，电机的转子臂会因为与周 围溶液中分子的碰撞而随机移动，一旦通过两个电极施加交流电压，转 子臂就会在一个方向上旋转。 [1] Pumm A K , Engelen W , Kopperger E , et al. A DNA origami rotary ratchet motor[J]. Nature, 2022, 607

1.分子马达首个DNA材料制成的纳米马达面世迪茨表示，这种新型马达具有前所未有的机械性能一它每秒产生的能量比两个ATP分子分裂时释放的能量还要多。此外，可可以通过电场的方向及交流电压的频率和幅度来控制转子臂旋转的速度和方向，未来有望用于驱动用户定义的化学反应：在表面密布这种马达，添加起始材料，随后施加一点交流电压，马达就会产生理马达设计与实验设置想的化合物。[1]PummAK,EngelenW,KoppergerE,etal.ADNAorigamirotaryratchetmotor[J].Nature,2022,60710

1. 分子马达 10 首个DNA材料制成的纳米马达面世 迪茨表示，这种新型马达具有前 所未有的机械性能——它每秒产生的 能量比两个ATP分子分裂时释放的能 量还要多。此外，可以通过电场的方 向及交流电压的频率和幅度来控制转 子臂旋转的速度和方向，未来有望用 于驱动用户定义的化学反应：在表面 密布这种马达，添加起始材料，随后 施加一点交流电压，马达就会产生理 想的化合物。 [1] Pumm A K , Engelen W , Kopperger E , et al. A DNA origami rotary ratchet motor[J]. Nature, 2022, 607. 马达设计与实验设置

1.分子马达可见光驱动环形分子马达对手性翻转和圆偏振光的可逆调节新型拓扑分子材料的手性调节和手性翻转一直是科学界的研究重点，用光分子马达调节手性能够带来便捷的调控方法。然而传统的光分子马达需要较高能量的紫外光驱动，因此发展环境友好型的可见光调控分子马达是理想的解决方法基于此，李全团队报道了一系列的环形光分子马达，能够用可见光驱动环形分子马达对诱导形成的螺旋液晶超结构进行手性调控。在此分子马达中，具有光响应的偶氮苯与具有轴手性的联蔡通过柔性碳链连成环形拓扑分子结构，并在联蔡的6.6号位上直接连上不同长短的化学基团。特殊的环形拓扑分子结构改变了临位取代偶氮苯的平面结构，使得偶氮苯的顺反两种异构体的n一元*能级跃迁吸收峰的分离，从而实现不同波长的可见光驱动偶氮苯的可逆顺反异构以及环形分子的性能可逆调节[1] Wang H(1 ), Krishna Bisoyi H( 1), Li Q(1,2 ), Tang Y(2)version andCircularlyPolarizedLightReflectionTuning in Self-Organizeddednese11Helical Superstructures Using Visible-Light-Driven Macrocyclic Chiral Switches. Angewandte Chemie -International Edition. 2023;62(8)doi:10.1002/anie.202216600

1. 分子马达 11 可见光驱动环形分子马达对手性翻转和圆偏振光的可逆调节 新型拓扑分子材料的手性调节和手性翻转一直是科学界的研究重点，用光分 子马达调节手性能够带来便捷的调控方法。然而传统的光分子马达需要较高能量 的紫外光驱动，因此发展环境友好型的可见光调控分子马达是理想的解决方法。 基于此，李全团队报道了一系列的环形光分子马达，能够用可见光驱动环形 分子马达对诱导形成的螺旋液晶超结构进行手性调控。在此分子马达中，具有光 响应的偶氮苯与具有轴手性的联萘通过柔性碳链连成环形拓扑分子结构，并在联 萘的6,6’号位上直接连上不同长短的化学基团。特殊的环形拓扑分子结构改变 了临位取代偶氮苯的平面结构，使得偶氮苯的顺反两种异构体的n→π*能级跃迁 吸收峰的分离，从而实现不同波长的可见光驱动偶氮苯的可逆顺反异构以及环形 分子的性能可逆调节。 [1] Wang H( 1 ), Krishna Bisoyi H( 1 ), Li Q( 1,2 ), Tang Y( 2 ). Reversible Handedness Inversion and Circularly Polarized Light Reflection Tuning in Self-Organized Helical Superstructures Using Visible-Light-Driven Macrocyclic Chiral Switches. Angewandte Chemie - International Edition. 2023;62(8). doi:10.1002/anie.202216600