一個國際科學家小組最近開發出一種由DNA 製成的新型奈米發動機。它是由一種巧妙的機制驅動，可以進行脈動運動。研究人員目前正計劃為它安裝一個耦合器，並將其作為複雜奈米機械的驅動裝置。他們的研究成果於10月19日發表在《自然-奈米技術》（Nature Nanotechnology）雜誌上。

亞利桑那州立大學分子科學學院和分子設計與生物仿生學生物設計中心的助理教授Petr Šulc 與德國波昂大學的Famulok 教授（計畫負責人）和密西根大學的Walter 教授合作完成了這個計畫。

Šulc利用其研究小組的電腦建模工具，深入了解了這種葉片彈簧奈米引擎的設計和運作。該結構由近14,000 個核苷酸組成，這些核苷酸構成了DNA 的基本結構單元。

Šulc解釋：「如果沒有oxDNA（我們小組用於設計DNA奈米結構的電腦模型），就不可能模擬如此大型奈米結構的運動。這是首次成功設計出化學驅動的DNA 奈米技術馬達。我們很高興我們的研究方法有助於對它的研究，並期待在未來製造出更複雜的奈米裝置。”

這種新型引擎類似於手部握力訓練器，經常使用可以增強握力。不過，這種引擎的體積要小一百萬倍左右。兩個手柄透過彈簧連接在一個V 形結構中。

運行示意圖。資料來源：亞利桑那州立大學

在手部握力訓練器中，手把在彈簧的阻力下擠壓在一起。一旦鬆手，彈簧就會將手柄推回原位。”波昂大學生命與醫學科學（LIMES）研究所的Michael Famulok 教授說：”我們的馬達採用了非常相似的原理。”但手把不是壓在一起，而是拉在一起”。

研究人員重新利用了一種機制，沒有這種機制，地球上就不會有動植物。每個細胞都配備了一個圖書館。它包含了每個細胞執行其功能所需的各類蛋白質的藍圖。如果細胞想要生產某種類型的蛋白質，它就會從對應的藍圖複製一份。這種轉錄本是由稱為RNA 聚合酶的酵素產生。

原始藍圖由DNA 長鏈組成。RNA 聚合酶沿著這些鏈移動，一個字母一個字母地複製儲存的資訊。”我們將RNA 聚合酶連接到奈米機器的一個手柄上，”同時也是波昂大學”生命與健康”和”物質”跨學科研究領域成員的法穆洛克解釋道。「在兩個手柄之間，我們還緊密地連接了一條DNA 鏈。聚合酶抓住這條鏈進行複製。它沿著鏈條拉動自身，未被複製的部分變得越來越小。這就把第二個手把一點一點地拉向第一個手柄，同時壓縮彈簧”。

在oxDNA 模型中模擬的葉片彈簧奈米引擎。資料來源：亞利桑那州立大學

手把之間的DNA 鏈在末端前不久包含一個特殊的字母序列。這個所謂的終止序列向聚合酶發出訊號，讓它放開DNA。彈簧現在可以再次放鬆，並將手柄分開。這樣，鏈的起始序列就靠近了聚合酶，分子複製器就可以開始新的轉錄過程： 如此循環往復。法穆洛克教授領導的研究小組的馬蒂亞斯-森托拉（Mathias Centola）解釋說：”這樣，我們的納米馬達就能執行脈動動作。”

與其他類型的馬達一樣，這種馬達也需要能量。聚合酶產生轉錄本的”字母湯”提供了能量。每一個字母（專業術語：核苷酸）都有一個由三個磷酸基團組成的小尾巴–三磷酸。為了在現有句子上連接一個新字母，聚合酶必須移除其中的兩個磷酸基團。這樣可以釋放能量，用於將字母連接在一起。”因此，我們的引擎使用三磷酸核苷酸作為燃料。只有當有足夠數量的三磷酸核苷酸時，它才能繼續運轉”。

Petr Šulc 是亞利桑那州立大學分子科學學院和分子設計與生物仿生生物設計中心的助理教授。資料來源：Mary Zhu

研究人員能夠證明，這種馬達可以很容易地與其他結構結合。例如，這將使它有可能在表面上游盪–類似於尺蠖以自己特有的方式沿著樹枝拉動自己。”法姆洛克解釋說：”我們還計劃生產一種離合器，這樣我們就可以只在特定時間使用電機的動力，而在其他時間讓它處於空轉狀態。從長遠來看，馬達可以成為複雜奈米機械的核心。不過，在達到這個階段之前，我們還有很多工作要做。”

Šulc的實驗室是一個高度跨學科的實驗室，它將統計物理學和計算建模方法廣泛應用於化學、生物學和奈米技術領域的問題。研究小組開發了新的多尺度模型來研究生物分子之間的相互作用，特別是在設計和模擬DNA 和RNA 奈米結構和裝置方面。

“就像我們日常使用的複雜機器–飛機、汽車和電子產品中的晶片–需要複雜的電腦輔助設計工具來確保它們發揮預期的功能一樣，分子科學領域也迫切需要獲得這樣的方法”。分子科學學院院長Tijana Rajh教授說：”Petr Šulc和他的研究小組正在進行極具創新性的分子科學研究，他們利用計算化學和物理學的方法研究生物學和奈米技術背景下的DNA和RNA分子。我們分子科學學院的年輕教師取得了非凡的成就，Šulc 教授是這方面的典範。”

DNA 和RNA 是生命的基本分子。它們具有多種功能，包括活細胞中的訊息儲存和訊息傳遞。它們在奈米技術領域也有廣泛的應用前景，設計好的DNA 和RNA 鏈可用於組裝奈米級結構和設備。這有點像玩樂高積木，只不過每個樂高積木只有幾奈米（百萬分之一毫米）大小，不是把每個積木放到它應該去的地方，而是把它們放在一個盒子裡，然後隨意搖晃，直到只有想要的結構出來為止。

“這一領域的應用前景廣闊，包括診斷學、治療學、分子機器人學和新材料的構建，”Šulc說。”我的實驗室開發了設計這些砌塊的軟體，我們與亞利桑那大學以及美國和歐洲其他大學的實驗小組密切合作。隨著該領域的不斷進步，我們實現了新的先進設計，並成功地在在奈米尺度上運行它們，看到我們的方法被用於設計和表徵日益複雜的奈米結構，真是令人興奮。”