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旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)（ATP合酶）組裝到血紅蛋白微膠囊表面用于ATP合成的示意圖

 

    在科技部、國家自然科學(xué)基金委和中國科學(xué)院的支持下，膠體、界面與化學(xué)熱力學(xué)院重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員在旋轉(zhuǎn)分子馬達(dá)的分子仿生組裝方面取得新進(jìn)展，研究工作發(fā)表在近期出版的Adv. Mater. (2008, 20, 601-605) 上。

 

    細(xì)胞生長代謝的整個(gè)過程需要能量，絕大多數(shù)情況下能量由ATP的高能鍵水解而獲得，而ATP又是通過ATP合酶合成所得到。ATP合酶是線粒體、葉綠體和細(xì)菌中能量轉(zhuǎn)化的核心酶，在跨膜質(zhì)子動力勢的推動下催化合成ATP。近年來，借助分子馬達(dá)的生物活性和特殊功能開發(fā)生物納米器件用于信息存儲和能量轉(zhuǎn)化，已經(jīng)成為當(dāng)前納米生物技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。

 

    在前期工作中，該研究組將分子馬達(dá)組裝在聚合物微膠囊表面，用于ATP的生物合成，取得了階段性成果（Angew. Chem. Int. Ed. 2007，46，6996；Biochem. Biophys. Res. Comm. 2007，354，357）。利用“層層組裝”技術(shù)制備了中空聚電解質(zhì)微膠囊，然后將ATP合酶成功組裝到磷脂修飾的聚合物微膠囊上。研究表明組裝后的ATP酶保留了其生物功能，通過更換緩沖溶液改變體系的pH值提供跨膜質(zhì)子動力勢，實(shí)現(xiàn)了ATP的生物合成。

 

    在上述工作的基礎(chǔ)上，研究人員借助共價(jià)鍵作用利用層層組裝技術(shù)制備了中空血紅蛋白微膠囊，然后在蛋白微膠囊上組裝了含ATP合酶的脂質(zhì)體，從而將分子馬達(dá)組裝到血紅蛋白微膠囊表面。利用葡萄糖氧化酶對葡萄糖氧化水解產(chǎn)生的質(zhì)子H+，形成了跨膜質(zhì)子流，為ATP合酶合成ATP提供質(zhì)子動力勢（質(zhì)子泵）。研究發(fā)現(xiàn)組裝在膠囊表面的ATP合酶仍然保留其催化合成功能，能夠?qū)DP和無機(jī)磷酸鹽合成ATP，并且合成的ATP能存儲在中空蛋白膠囊內(nèi)部，使膠囊成為ATP的載體。這種生物兼容性的仿生體系研究有助于開發(fā)與構(gòu)建新型的納米生物機(jī)器。