活細胞里充滿了分子機器——包括旋轉馬達；它們執行一系列任務，從擺動細菌的鞭毛到產生構成細胞能量儲備的 ATP 分子。這些馬達通常采用棘輪機構，類似于發條裝置中的齒輪，允許沿一個方向旋轉，但不能沿另一個方向旋轉。就像細胞中的其他東西一樣，生物機器由于布朗運動（細胞質中分子和其他粒子的恒定、隨機運動）而不斷受到沖擊。通常，當粒子碰撞在一起時，它們可以相互傳遞能量。作為細胞內重要的遺傳物質，DNA在近幾十年來得到了長足的發展。DNA 已經成為一種用于構建納米級物體的多功能材料，并且在水環境中從 DNA 構建更大、更復雜的結構方面取得了巨大進展。2006 年，DNA 折紙技術的橫空出世徹底改變了該領域，該技術主要是利用短的DNA 鏈將一條長 DNA 鏈折疊成復雜的 2D 或 3D結構，現在已成為構建納米級物體（如片材、管材和盒子）。如今，DNA折紙結構越來越多地被用作更大組件的子結構。
近日，慕尼黑工業大學Hendrik Dietz、Friedrich C. Simmel等人完全用 DNA 鏈構建了一個分子級馬達，并通過纏繞 DNA“彈簧”來儲存能量。這雖然不是第一個 DNA 納米馬達，但它肯定是第一個實際執行可測量機械功的馬達。
該馬達由三個 DNA 折紙結構自組裝而成：基座、平臺和轉子臂。按照分子標準，這些部件是巨大的（例如，轉子長 550 nm），而且它們只需通過在溶液中四處擴散就可以正確組裝，這一事實可以說與發現將螺母和螺栓扔進洗衣機中就擰在一起的現象一樣令人驚訝。重要的是，馬達的運行依賴于“布朗棘輪”機制，其中由熱波動引起的轉子隨機旋轉在所需的旋轉方向上被促進，但在相反方向上被阻止。處理隨機性而不是試圖抑制它的想法對那些旨在設計微觀機器的人來說非常有吸引力。在這種情況下，熱波動的隨機性被施加的、周期性變化的電場與本征充電馬達的不對稱形狀的相互作用所克服。然而，電場作用于轉子的精確機制需要進一步研究，因為電場還會產生其他可能改變轉子運動的效應，例如，它會誘導離子流過設備周圍的水。憑借高達每分鐘250轉的角速度和高達10 pN nm的扭矩，馬達實現的轉速和扭矩接近于強大的天然分子機器（例如 ATP 合酶）已知的轉速和扭矩。由于內在的機械特性，馬達定向移動，由簡單的外部能量調制驅動，不需要用戶提供的任何反饋或信息來引導馬達。該馬達還提供了大型馬達所熟悉的控制選項：用戶可以隨意打開和關閉它們，它們響應迅速，并且可以調節速度和旋轉方向。
圖|DNA折紙馬達的結構分析
任何可以使用標準濕實驗室設備的人都可以生產和操作馬達。它足以傳輸序列信息，以使其他用戶能夠使用例如從商業來源獲得的DNA分子復制和構建自己的馬達。所需的DNA分子的生產還可以擴大到大規模生產。由于DNA折紙組件的模塊化，研究人員還希望馬達也可以修改、調整和集成到其他環境中。該馬達的設計和操作理念也可能適用于 DNA 折紙以外的其他系統。通常，面對一種新納米馬達時，首先會質疑它是否真的可以做機械工作。在不做功的情況下產生可預測運動的機器的開發仍然是一項成就——在工程史上，這種機器被證明是無價的，因為它們可以用作海洋導航等應用的時鐘。該設備是否能夠產生定向運動？至關重要的是，作者證明了他們的系統可以通過纏繞分子彈簧來對抗負載，因此它無疑是一個馬達。其次，還會關心的是關于納米馬達的效率。許多人造微型馬達的能源效率相當于一輛汽車每行駛 100 公里消耗 100 萬升汽油，因此無法廣泛應用。該研究團隊推導出了一個方程式，可以用來粗略估計他們的 DNA 折紙馬達的效率，其中考慮了由于內部摩擦阻力造成的能量損失。然而，最大的效率消耗是產生電場的電極在設備周圍相距幾毫米，這個距離是轉子長度的 1000 倍以上。這對于將電極上發生的電化學反應與馬達分開是必要的，但這意味著大部分電能在到達馬達的過程中會損失掉。因此，需要另一個突破來解決這個問題。綜上所述，該研究推動了DNA納米技術向前邁出了重要一步，證明DNA可用于制造由多個部件組成的馬達，這些部件的尺寸可達數百納米，但具有精確制造的更小尺寸的特征，如馬達運行所需。此外，作者還應用了對布朗棘輪來之不易的理論理解來構建一種新型的人造納米級馬達。更廣泛地說，該研究結果表明，隨著能夠塑造、移動和組裝納米結構的工具的開發，我們離掌握分子工程越來越近了，這些工具的功能可以與細胞中發現的分子機器相媲美。因此，這不是第一個DNA納米馬達，但也絕對不是最后一個！1.Pumm, AK., Engelen, W., Kopperger, E. et al. A DNA origami rotary ratchet motor. Nature 607, 492–498 (2022).https://doi.org/10.1038/s41586-022-04910-y2. A microscopic electric motor made of DNA. Nature 607, 456-457 (2022).https://doi.org/10.1038/d41586-022-01940-4
