化学家通过将纳米机器分解来制造纳米机器

“每一个创造行为，”毕加索的名言指出，“首先是一种破坏行为。从字面上理解这个概念，加拿大的研究人员现在发现，“打破”生命基础的分子纳米机器可以创造出更好的新机器。

他们的研究结果今天发表在NatureChemistry上。

经过数百万年的进化

地球上的生命是由数以万计的纳米机器实现的，这些纳米机器已经进化了数百万年。它们通常由蛋白质或核酸制成，通常含有数千个原子，不到人类头发大小的10，000倍。

“这些纳米机器控制着我们体内的所有分子活动，它们的调节或结构问题是大多数人类疾病的起源，”这项新研究的首席研究员、蒙特利尔大学化学教授AlexisVallée-Bélisle说。

在研究这些纳米机器的制造方式时，加拿大生物工程和生物纳米技术研究主席Vallée-Bélisle注意到，虽然有些是使用单个组件或部件(通常是长生物聚合物)制造的，但其他机器使用几个自发组装的组件。

“由于我的大多数学生一生都在创造纳米机器，我们开始怀疑使用一种或多种自组装分子组件制造它们是否更有益，”Vallée-Bélisle说。

为了探索这个问题，他的博士生多米尼克·劳松(DominicLauzon)提出了一个“破坏性”的想法，即分解一些纳米机器，看看它们是否可以重新组装。为此，他制造了基于人工DNA的纳米机器，可以通过分解它们来“摧毁”。

“DNA是一种非凡的分子，提供简单，可编程和易于使用的化学反应，”该研究的第一作者Lauzon说。“我们相信基于DNA的纳米机器可以帮助回答有关自然和人造纳米机器的创造和进化的基本问题。

Lauzon和Vallée-Bélisle花了数年时间进行实验验证。他们能够证明纳米机器可以轻松承受碎裂，但更重要的是，这种破坏性事件允许创造各种新的功能，包括对成分浓度，温度和突变变化的不同灵敏度水平。

研究人员发现，这些功能可以通过控制每种成分的浓度来产生。例如，当将纳米机器切割成三个组分时，发现纳米机器在高浓度组分下更灵敏地激活。相反，在低浓度的组件下，纳米机器可以被编程为在特定时刻激活或停用，或者简单地抑制它们的功能。

“总的来说，这些新颖的功能是通过简单地切割或破坏现有纳米机器的结构来创建的，”Lauzon说。“这些功能可以极大地改善基于人类的纳米技术，如传感器，药物载体甚至分子计算机。

不断发展的新功能

正如毕加索通常会销毁数十件未完成的作品来创作他的著名艺术品一样，就像肌肉需要分解才能变得更强壮一样，创新的新公司是通过从市场上淘汰老竞争对手而诞生的，纳米级机器可以通过拆开来发展新功能。

与手机、电视和汽车等普通机器不同，这些机器是通过使用螺钉和螺栓、胶水、焊料或电子设备组合组件制成的，“纳米机器依赖于数千个微弱的动态分子间力，这些力可以自发重组，使破碎的纳米机器能够重新组装，”Vallée-Bélisle说。

除了为纳米技术研究人员提供简单的设计策略来创建下一代纳米机器外，UdeM团队的研究结果还揭示了天然分子纳米机器如何进化。

“生物学家最近发现，大约20%的生物纳米机器可能是通过基因的碎片化进化而来的，”Vallée-Bélisle说。“根据我们的研究结果，生物学家现在有了合理的基础来理解这些祖先蛋白质的碎片化如何为地球上的生命创造新的分子功能。