構(gòu)建“小”的藝術(shù)-從分子開關(guān)到分子馬達

構(gòu)建“小”的藝術(shù)—從分子開關(guān)到分子馬達Abstract背景——生物分子馬達1從分子開關(guān)到分子馬達2分子馬達的一些應用3前景及展望4背景介紹：生物分子馬達生物體中的分子馬達生物體對光能和化學能的精確利用，產(chǎn)生了具有從納米尺度組裝特點的多級有序結(jié)構(gòu)，并通過在分子水平對能量利用實現(xiàn)了復雜的生物功能。背景介紹：生物分子馬達什么是分子開關(guān)？定義：通過激活機制或失活機制精確控制細胞內(nèi)一系列信號傳遞的級聯(lián)反應的蛋白質(zhì)分類：1、蛋白激酶使之磷酸化而開啟，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而關(guān)閉

2、由GTP結(jié)合蛋白組成，結(jié)合GTP而活化，結(jié)合GDP而失活

背景介紹：生物分子馬達分子開關(guān)：結(jié)構(gòu)變化與功能控制必要條件：雙穩(wěn)態(tài)，即有兩種完全不同且可相互轉(zhuǎn)變的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，通過外部刺激（非自發(fā)、外部）使其在兩種穩(wěn)態(tài)間轉(zhuǎn)變。從分子開光到分子馬達光分子旋轉(zhuǎn)馬達第二代旋轉(zhuǎn)馬達視覺過程光引起蛋白質(zhì)結(jié)合視網(wǎng)膜分子的結(jié)合雙鍵發(fā)生順-反異構(gòu)分子形變引發(fā)級聯(lián)事件，信號傳遞到大腦光分子開關(guān)↓納米閥門

↓第一代光驅(qū)動分子旋轉(zhuǎn)馬達分子馬達在表面上的固化在納米金顆粒表面的固定在石英表面的固定從分子開關(guān)到分子馬達光分子開關(guān)：信息存儲分子尺度進行“自上而下”路線：存在兩穩(wěn)態(tài)及該兩態(tài)可控轉(zhuǎn)變基礎(chǔ)，以非破壞行方法“讀”出狀態(tài)——可作為二進制數(shù)字系統(tǒng)的一個存儲單元?？刂品€(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)變——光從分子開關(guān)到分子馬達↓由視覺過程啟發(fā)設(shè)計的一類光敏感開關(guān)分子——擠迫型多烯從分子開關(guān)到分子馬達基于擠迫型多烯結(jié)構(gòu)的光分子開關(guān)螺旋結(jié)構(gòu)：順式結(jié)構(gòu)-右手螺旋型，435nm光照穩(wěn)定反式結(jié)構(gòu)-左手螺旋型，365nm光照穩(wěn)定

順式反式從分子開關(guān)到分子馬達基于擠迫型多烯結(jié)構(gòu)的光分子開關(guān)

圓二色光譜☆鏡面對稱的譜圖顯示出其光學異構(gòu)性☆開關(guān)速度為秒級開關(guān)的可逆過程從分子開關(guān)到分子馬達納米閥門☆生物膜上的通道蛋白（本文采用E.Coil的MscL蛋白）與前述光分子開關(guān)結(jié)合構(gòu)建光調(diào)控納米閥門☆通道打開狀態(tài)蛋白中心可形成3-4nm的孔，離子與小分子可通過☆構(gòu)建到脂質(zhì)體上，形成可控藥物載體模型，紫外光與可見光控制閥門的開關(guān)，藥物的釋放與裝載從分子開關(guān)到分子馬達納米閥門具有光切斷性質(zhì)的分子共價連接到MscL蛋白特定位置的一個半胱氨酸殘基上，光照時，分子被切斷，釋放自由羧基，引起閥門的打開。但分子的切斷不可逆，因此此開關(guān)不可逆從分子開關(guān)到分子馬達第一代光驅(qū)動分子旋轉(zhuǎn)馬達Step1：光照→反-順異構(gòu)可逆過程Step2：熱交換→旋轉(zhuǎn)90°不可逆過程Step3：光照→旋轉(zhuǎn)90°

可逆過程Step4：吸熱→初始狀態(tài)不可逆過程因此，波長>280nm照，環(huán)境溫度60℃，分子可持續(xù)單向旋轉(zhuǎn)從分子開關(guān)到分子馬達第一代光驅(qū)動分子旋轉(zhuǎn)馬達分子馬達的兩個光驅(qū)動過程非常快，因此決定馬達轉(zhuǎn)速的為兩個熱過程。馬達上部圍繞中心雙鍵運動，下部結(jié)構(gòu)可能導致對上部立體旋轉(zhuǎn)造成阻礙，從而減緩旋轉(zhuǎn)速度，因此通過對下部結(jié)構(gòu)進行調(diào)整而設(shè)計了第二代光驅(qū)動旋轉(zhuǎn)馬達從分子開關(guān)到分子馬達第二代光驅(qū)動分子旋轉(zhuǎn)馬達第一代與第二代旋轉(zhuǎn)馬達結(jié)構(gòu)對比從分子開關(guān)到分子馬達分子馬達在表面上的固化-在納米金顆粒表面原理示意圓二色光譜表征的不同旋轉(zhuǎn)狀態(tài)從分子開關(guān)到分子馬達分子馬達在表面上的固化-在石英表面分子馬達的一些應用1、引起液晶象變化，控制微小物體的運動2、馬達形成晶體后受外界刺激發(fā)生形變3、對微小物體實現(xiàn)長距離運輸分子馬達的一些應用引起液晶象變化，控制微小物體的運動液晶表面原子力顯微照片參雜分子馬達對液晶象變化的模型液晶表面微小物體的運動分子馬達的一些應用馬達形成晶體后受外界刺激發(fā)生形變分子馬達的一些應用對微小物體實現(xiàn)長距離運輸人工過氧化氫酶體系推動二氧化硅粒子分子馬達的一些應用對微小物體實現(xiàn)長距離運輸葡萄糖氧化酶與過氧化氫酶偶聯(lián)體系推動碳納米管原理前景及展望我們已實現(xiàn)如循環(huán)運動、定向運動、物體輸送、閥門開關(guān)等功能溶液中的布朗運動、工作的兼容性、多組分