单分子实验揭示了人工分子马达的受力能力
新加坡国立大学的物理学家表明，单个人造分子马达可以表现出类似于自然产生的力量，为人类肌肉提供动力。他们的结果发表在Nanoscale上。
分子马达是一类具有纳米级尺寸的机器，是生物体运动的重要媒介。它们利用体内的各种能源来产生机械运动。一个关键特性是单个电机在其自行运动期间产生的力。这种力产生能力允许分子马达提供机械功，并且是其能量转换效率的衡量标准，这会影响其在潜在应用中的使用。
由通常由蛋白质制成的天然分子马达产生的力的测量是在 20 年前实现的。然而，对由 DNA(脱氧核糖核酸)制成的人造分子马达的类似测量仍然是一个挑战。来自新加坡国立大学物理系的王志松副教授的分子电机实验室和闫杰教授的单分子生物物理实验室之间的研究合作成功地检测到了由移动的 DNA 分子电机产生的力。
对于人工马达来说，很难检测运动中的单个分子马达所产生的力，因为它们很小并且主要在软轨道上运行(例如，双链 DNA)。软轨的位置不固定，往往会盘绕成圆形。这会影响人造马达的运动。研究小组通过设计和执行平行的单分子实验克服了这一困难，这些实验将轨道保持在纳米级水平，同时检测移动分子马达产生的微小力。使用磁性镊子技术，他们首先在顺磁珠(分离生物分子的工具)下组装了一个人造分子马达及其轨道。然后他们将顺磁珠切换到力检测模式(见图)。
研究小组成功地将他们的方法应用于自主DNA分子马达(之前由王教授实验室开发)。这种双足分子马达能够自行连续“行走”，每一步之间的步幅长度约为 16 nm，最大输出力约为 2 到 3 pN。该测得的力输出水平接近为人类肌肉提供动力的自然发生的分子马达，表明化学能相当有效地转化为机械运动。
王教授说：“这项研究为开发与需要产生力的平移人工分子马达相关的应用铺平了道路。例子包括分子机器人和仿生人造肌肉。另外，这项工作中建立的单分子方法是适用于许多其他具有软轨道的人造分子马达的力测量。”
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