北海道大学、关西大学和东京工业大学的研究小组在世界上首次成功开发出一种分子人造肌肉,通过结合运动蛋白和 DNA 折纸,将化学能直接转化为机械能。
运动蛋白是将化学能转化为机械功的纳米级分子机器。已知在肌动蛋白和驱动蛋白上移动的肌球蛋白和在微管上移动的动力蛋白。生物技术的发展使得合成运动蛋白成为可能,并且由于其高能量转换效率和特定的输出特性,有望成为微型机械和分子机器人的动力源。然而,将纳米大小的运动蛋白有序组装到可见大小是不可能的。
在这项研究中,DNA折纸结构(通过DNA折叠技术[origami]的结构)是通过DNA纳米技术制造的,DNA修饰的微管是通过生物技术制造的。当这些混合时,形成了“星状结构”,其中微管呈放射状组装。当驱动蛋白(用链霉亲和素蛋白季铵化)加入其中时,紫菀结构进一步聚集形成毫米大小的网络结构。最后,当添加三磷酸腺苷 (ATP) 时,观察到高达原始大小的 1/40 的快速收缩运动。这种收缩系统是一种“分子人造肌肉”,它模仿平滑肌细胞使人体心脏和内脏运动。
从而实现由化学能驱动的毫米到厘米大小的动力系统,有望成为未来医疗微型机器人和昆虫型无人机的动力源。