利用生物分子作为分子功能器件组装纳米机器人

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ATP酶作为分子发动机的研究已经在西方形成热点领域，日本和美国双方已经呈现出强烈的对峙竞争局面。分子发动机问世的意义决不仅仅是制造一种纳米机器人的动力装置，而是开辟了一个新的探索领域，这个领域就是研究生物分子作为微型机器人原器件的可能性。原则上所有的生物分子都是纳米机器人或组成纳米机器人的零件，生物分子的自组合性质就是零件组装的原理依据。因此，开展生物分子作为纳米器件特性和组装原理的研究应当及早倡导和支持。呼吸链酶系是研究生物分子纳米器件和组装的好材料ATP酶在生物体内是执行能量转化的关键分子之一，它和呼吸链酶系共同组成线粒体的能量转化体系。线粒体的功能是把储存在食物中的太阳能取出来制造机体需求的"能量货币"ATP，在生物体内是呼吸链酶系推动ATP酶制造ATP。如果把ATP酶看作是一部马达，那么呼吸链就如同连接马达和电源的导线。与导线不同的是，呼吸链传递电子是通过几个生物大分子的氧化还原变化而实现的，这些大分子被称为复合物I(NADH-泛醌还原酶)、复合物II(琥珀酸-泛酮还原酶)、复合物III(泛醌-细胞色素C还原酶)和复合物IV(细胞色素C氧化酶)，它们按照氧化还原电位的高低有序地把底物电子逐一传递，最终把电子传递给氧。作为分子马达进行研究的ATP酶实际上被称作复合物V，它和呼吸链的四个复合物共同组成线粒体的能量转化体系。呼吸链四个复合物进行的电子传递是一个放能的过程，放出的能量用于推动复合物V(ATP酶)制造ATP。

呼吸链酶系可以作为开展纳米器件特性和组装规律的典型研究材料，它具备以下几方面的优点：

（1）、呼吸链酶系一直是研究生物能量转化机制的典型实验材料呼吸链酶系是研究生物能量转化规律的典型实验材料，国内外科学家对它已经研究了近半个多世纪。可以预言：将来制造直接利用太阳能合成面包的纳米机器人很可能要遵循从这个酶系统总结出来的原理和规律而进行组装。

（2）、呼吸链中的两个关键酶(复合物III和IV)都有了晶体结构解析的结果，其分子内的电荷转移中心结构清楚，并有大量溶液结构研究数据可参考。

（3）、最近我们将纯化的细胞色素C氧化酶(复合物IV)制作成固态薄膜并研究其分子内电子转移特性，发现其分子内的电子传递活性依然完好，而且其电子转移规律和文献中对该酶溶液状态研究的结果很一致。有趣的是发现制成固态薄膜的该种酶，其分子内的电子传递活性具有"电子开关"的特性，这为该种酶作为纳米器件的研究打下了基础。这种研究应该说是我们首先开始的，到目前为止尚未见有过类似的文献报道。

（4）、呼吸链四个复合物中的每一个单体酶的分子内部都有各自不同的电子转移中心，它们多数是金属中心，或是某些氨基酸的功能基团。研究分子内电子转移中心的相互关系和电子在其间转移和驻留的规律，有可能发现它们具有的"分子功能器件"的特性。这种研究有可能打开一扇门，使我们看到很多生物分子所具有的纳米器件的特性，这些知识的积累将会产生组装纳米机器人的新思路。

（5）、呼吸链四个复合物可以分开制成单体酶，也可以重组合制成不同的呼吸链片段，这为研究纳米器件的装配规律提供了便利。