什么是分子马达(What Molecular Motors)？

分子马达是生物体细胞环境中蛋白质的集合，通过复杂的折叠和化学过程，可以为各种目的进行机械运动，例如在细胞胞浆内运输物质或电荷，或复制DNA和其他化合物。分子运动蛋白也是肌肉收缩和活动的基础，例如细菌通过螺旋桨驱动的游泳运动进行运动。大多数天然分子马达从运动源于生物体产生维持生命所需能量的基本过程，即化合物三磷酸腺苷（ATP）的分解和合成。大多数分子马达从ATP的分解和合成中获得能量。尽管在基本水平上，分子马达执行许多相同的功能作为宏观人类尺度上的机电马达，它们在一个完全不同的环境中工作。大多数分子马达活动发生在一个液体环境中，这种环境由热动力驱动，并直接受到附近分子的随机运动的影响，称为布朗运动。这种有机环境，以及蛋白质折叠和分子马达所依赖的化学反应的复杂性质，使得人们对其行为的理解成为一项耗时数十年的研究。在原子和分子尺度上的纳米技术研究主要集中在利用生物材料和制造类似的分子马达上日常工程所熟悉的马达。其中一个突出的例子是1999年美国马萨诸塞州波士顿学院的一个科学家小组制造的一个由78个原子组成的马达，它花了4年的时间来建造这种马达有一个旋转的主轴，旋转一圈需要几个小时，设计成只朝一个方向旋转。分子马达以ATP合成为能源，被用作研究平台，了解化学能转化为机械运动的基本原理。类似的研究自从荷兰和日本科学家利用碳来制造由光能和热能驱动的合成分子马达以来，从2008年开始，最近的尝试已经开发出一种方法来制造一种能够产生连续水平旋转扭矩的马达，分子马达的功能和结构各不相同。主要的运输马达由肌球蛋白、运动蛋白和动力蛋白驱动，肌动蛋白是肌肉收缩中的主要蛋白质，这种蛋白质存在于从藻类到人类的各种物种中。关于这些蛋白质如何发挥作用的研究，到2011年已经非常详细了现在我们知道，对于50纳米长的驱动蛋白分子消耗的每一个ATP分子，它能够在一个细胞内移动8纳米的化学物质。驱动蛋白在将化学能转化为机械能方面的效率为50%，并且能够产生比标准汽油机大15倍的功率。肌球蛋白是分子马达中最小的一种，但它对肌肉收缩，一种称为ATP合酶的ATP也是一种分子马达，用来建立二磷酸腺苷（ADP）作为ATP储存能量。然而，到2011年发现的最显著的天然分子运动是为细菌运动提供动力的运动。一种叫做鞭毛以螺旋桨驱动的方式旋转，如果按人类日常使用的发动机水平来衡量，其动力将是普通汽油发动机的45倍。