活细胞里充满了分子机器——包括旋转马达；它们执行一系列任务，从摆动细菌的鞭毛到产生构成细胞能量储备的 ATP 分子。这些马达通常采用棘轮机构，类似于发条装置中的齿轮，允许沿一个方向旋转，但不能沿另一个方向旋转。就像细胞中的其他东西一样，生物机器由于布朗运动（细胞质中分子和其他粒子的恒定、随机运动）而不断受到冲击。通常，当粒子碰撞在一起时，它们可以相互传递能量。作为细胞内重要的遗传物质，DNA在近几十年来得到了长足的发展。DNA 已经成为一种用于构建纳米级物体的多功能材料，并且在水环境中从 DNA 构建更大、更复杂的结构方面取得了巨大进展。2006 年，DNA 折纸技术的横空出世彻底改变了该领域，该技术主要是利用短的DNA 链将一条长 DNA 链折叠成复杂的 2D 或 3D结构，现在已成为构建纳米级物体（如片材、管材和盒子）。如今，DNA折纸结构越来越多地被用作更大组件的子结构。
近日，慕尼黑工业大学Hendrik Dietz、Friedrich C. Simmel等人完全用 DNA 链构建了一个分子级马达，并通过缠绕 DNA“弹簧”来储存能量。这虽然不是第一个 DNA 纳米马达，但它肯定是第一个实际执行可测量机械功的马达。
该马达由三个 DNA 折纸结构自组装而成：基座、平台和转子臂。按照分子标准，这些部件是巨大的（例如，转子长 550 nm），而且它们只需通过在溶液中四处扩散就可以正确组装，这一事实可以说与发现将螺母和螺栓扔进洗衣机中就拧在一起的现象一样令人惊讶。重要的是，马达的运行依赖于“布朗棘轮”机制，其中由热波动引起的转子随机旋转在所需的旋转方向上被促进，但在相反方向上被阻止。处理随机性而不是试图抑制它的想法对那些旨在设计微观机器的人来说非常有吸引力。在这种情况下，热波动的随机性被施加的、周期性变化的电场与本征充电马达的不对称形状的相互作用所克服。然而，电场作用于转子的精确机制需要进一步研究，因为电场还会产生其他可能改变转子运动的效应，例如，它会诱导离子流过设备周围的水。凭借高达每分钟250转的角速度和高达10 pN nm的扭矩，马达实现的转速和扭矩接近于强大的天然分子机器（例如 ATP 合酶）已知的转速和扭矩。由于内在的机械特性，马达定向移动，由简单的外部能量调制驱动，不需要用户提供的任何反馈或信息来引导马达。该马达还提供了大型马达所熟悉的控制选项：用户可以随意打开和关闭它们，它们响应迅速，并且可以调节速度和旋转方向。
图|DNA折纸马达的结构分析
任何可以使用标准湿实验室设备的人都可以生产和操作马达。它足以传输序列信息，以使其他用户能够使用例如从商业来源获得的DNA分子复制和构建自己的马达。所需的DNA分子的生产还可以扩大到大规模生产。由于DNA折纸组件的模块化，研究人员还希望马达也可以修改、调整和集成到其他环境中。该马达的设计和操作理念也可能适用于 DNA 折纸以外的其他系统。通常，面对一种新纳米马达时，首先会质疑它是否真的可以做机械工作。在不做功的情况下产生可预测运动的机器的开发仍然是一项成就——在工程史上，这种机器被证明是无价的，因为它们可以用作海洋导航等应用的时钟。该设备是否能够产生定向运动？至关重要的是，作者证明了他们的系统可以通过缠绕分子弹簧来对抗负载，因此它无疑是一个马达。其次，还会关心的是关于纳米马达的效率。许多人造微型马达的能源效率相当于一辆汽车每行驶 100 公里消耗 100 万升汽油，因此无法广泛应用。该研究团队推导出了一个方程式，可以用来粗略估计他们的 DNA 折纸马达的效率，其中考虑了由于内部摩擦阻力造成的能量损失。然而，最大的效率消耗是产生电场的电极在设备周围相距几毫米，这个距离是转子长度的 1000 倍以上。这对于将电极上发生的电化学反应与马达分开是必要的，但这意味着大部分电能在到达马达的过程中会损失掉。因此，需要另一个突破来解决这个问题。综上所述，该研究推动了DNA纳米技术向前迈出了重要一步，证明DNA可用于制造由多个部件组成的马达，这些部件的尺寸可达数百纳米，但具有精确制造的更小尺寸的特征，如马达运行所需。此外，作者还应用了对布朗棘轮来之不易的理论理解来构建一种新型的人造纳米级马达。更广泛地说，该研究结果表明，随着能够塑造、移动和组装纳米结构的工具的开发，我们离掌握分子工程越来越近了，这些工具的功能可以与细胞中发现的分子机器相媲美。因此，这不是第一个DNA纳米马达，但也绝对不是最后一个！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
