最近，哈尔滨工业大学团队构建出一种超分子胶体马达全新体系。该体系基于可控化学分子组装而成，并由数百个旋转生物分子马达（自然界中最小的分子马达）所驱动。
此前的研究中，化学驱动的超分子胶体马达若想获得驱动力，往往用到的是酶一类的催化剂。而该团队首次利用旋转生物分子马达作为动力引擎，实现了有效的能量转化。通过对超分子胶体马达动力单元进行动态调控，证明了生物分子机器驱动更大尺度机器确切可行。
该研究为设计游动纳米机器人仿生提供了一种新的指导思想。与此同时，还为通过细胞的能量代谢主动调控，来进行疾病的精准诊疗提供了一种新方案。
图丨相关论文（来源：Science Advances）
近日，相关论文以《旋转生物分子马达驱动的超分子胶体马达》（Rotary Biomolecular Motor-powered Supramolecular Colloidal Motor）为题发表在 Science Advances 上[1]。
哈尔滨工业大学博士研究生刘君为论文第一作者，该校吴英杰副教授、贺强教授以及国科温州研究院巫浩副研究员为论文的共同通讯作者。
图丨旋转生物分子马达协同驱动超分子胶体马达的运动示意图（来源：Science Advances）
在细胞中，不同的亚细胞器、生物大分子和分子复合物通过协调的形式有效地转换和传递材料、信息和能量，积极地与其环境相互作用，从而产生能够执行复杂生物功能的自适应运动。
该团队提出了一种兼具能量合成和自驱动的旋转生物分子马达驱动的超分子胶体马达，该马达由模板辅助层层自组装与囊泡融合方法相结合制成。其中，三磷酸腺苷（Adenosine triphosphate，ATP）是细胞的主要能量来源，由旋转生物分子马达蛋白 F0F1-ATP 合酶产生。
图丨生物分子马达协同驱动的超分子胶体马达的制备和表征（来源：Science Advances）
如何让超分子胶体马达进行自驱动运动呢？该团队尝试通过二磷酸腺苷（adenosine diphosphate，ADP）、无机磷的反应溶液条件下，利用光照促进光合磷酸化反应来完成该目标。这样操作下，可生成驱动 ATP 合酶旋转的质子梯度，最终合成 ATP 并产生扩散泳力。
研究人员在不同光照的波长与强度条件下，对超分子胶体马达进行了观察，他们发现，该马达的运动能力取决于环境因素。特别是在最大吸收波长近红外光范围里，该马达的最佳运动速度能达到 1.41μm/s。
图丨超分子胶体马达在光照下的自驱动及运动行为分析（来源：Science Advances）
达到该性能背后的机理是怎样的呢？为了清楚地阐述其驱动机理，团队成员分析了在超分子胶体马达表面发生的光化学反应。
值得关注的是，如果想对 ATP 分子进行合成，其必备条件是光照、ADP、无机磷酸盐以及 3 个质子。该质子流产生的背后，是光合磷酸化过程中，由光生电子传递链伴随着质子传递形成的跨膜质子梯度。超分子胶体马达在循环光照下，表现出稳定的光电流，这意味着产生了光诱导电子。
光照条件在进行的同时，也随其产生跨膜质子梯度，进而生成 ATP。利用 ATP 的产出能够对超分子胶体马达表面生物分子马达的数量进行估算，在每个超分子胶体马达上最多分布 183 个 ATP 合酶（取向朝外）。并且，这些 ATP 合酶通过一起旋转，参与到超分子胶体马达的自驱动运动中。
图丨超分子胶体马达表面发生的光化学反应及光合活性分析（来源：Science Advances）
并且，该课题组注意到，超分子胶体马达的运动行为还会随参与光合磷酸化反应的 ADP 浓度不同而改变。如果反应底物量过多，则会对分子马达的活性产生影响，进而超分子胶体马达的 ATP 产出受限，使胶体马达的运动速度降低。
通过实验结果综合理论模拟分析，该团队发现，对超分子胶体马达运动能力起到最关键作用的因素，与表面反应产物、底物形成的浓度梯度这二者密切相关，而质子梯度的相关影响则可不被考虑。
基于此，团队成员得出结论，自扩散泳力由反应物浓度梯度引发而成。而这种反应物浓度梯度则是由多个 ATP 合酶分子马达旋转消耗 ADP、无机磷合成 ATP 的共同作用下产生的，并且使超分子胶体马达产生自主运动。
与此同时，该团队还注意到，当嵌膜的生物分子马达运转时，在二维膜平面会伴随旋转的产生。这种旋转促进一种扭矩的产生，但对于超分子胶体马达在低雷诺数下的游动影响可忽略不计。
和超分子胶体马达相比，细菌的运动很大程度取决于其底部的旋转蛋白质马达与蛋白质鞭毛。考虑到缺少了鞭毛，细菌的游动就会受限等情况。下一步，该课题组计划进行更深入的研究，以在生物分子马达的 β、c 亚基上附着人工鞭毛为目标。希望实现类似于游泳的细菌，可让 ATP 合酶的旋转运动对超分子胶体马达进行直接驱动。