“每一個(gè)創(chuàng)造行為，”畢加索的名言指出，“首先是一種破壞行為。

從字面上理解這個(gè)概念，加拿大的研究人員現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)，“打破”生命基礎(chǔ)的分子納米機(jī)器可以創(chuàng)造出更好的新機(jī)器。

他們的研究結(jié)果今天發(fā)表在Nature Chemistry上。

經(jīng)過(guò)數(shù)百萬(wàn)年的進(jìn)化

地球上的生命是由數(shù)以萬(wàn)計(jì)的納米機(jī)器實(shí)現(xiàn)的，這些納米機(jī)器已經(jīng)進(jìn)化了數(shù)百萬(wàn)年。它們通常由蛋白質(zhì)或核酸制成，通常含有數(shù)千個(gè)原子，不到人類頭發(fā)大小的10，000倍。

“這些納米機(jī)器控制著我們體內(nèi)的所有分子活動(dòng)，它們的調(diào)節(jié)或結(jié)構(gòu)問(wèn)題是大多數(shù)人類疾病的起源，”這項(xiàng)新研究的首席研究員、蒙特利爾大學(xué)化學(xué)教授Alexis Vallée-Bélisle說(shuō)。

在研究這些納米機(jī)器的制造方式時(shí)，加拿大生物工程和生物納米技術(shù)研究Vallée-Bélisle注意到，雖然有些是使用單個(gè)組件或部件(通常是長(zhǎng)生物聚合物)制造的，但其他機(jī)器使用幾個(gè)自發(fā)組裝的組件。

“由于我的大多數(shù)學(xué)生一生都在創(chuàng)造納米機(jī)器，我們開(kāi)始懷疑使用一種或多種自組裝分子組件制造它們是否更有益，”Vallée-Bélisle說(shuō)。

一個(gè)“破壞性”的想法

為了探索這個(gè)問(wèn)題，他的博士生多米尼克·勞松(Dominic Lauzon)提出了一個(gè)“破壞性”的想法，即分解一些納米機(jī)器，看看它們是否可以重新組裝。為此，他制造了基于人工DNA的納米機(jī)器，可以通過(guò)分解它們來(lái)“摧毀”。

“DNA是一種非凡的分子，提供簡(jiǎn)單，可編程和易于使用的化學(xué)反應(yīng)，”該研究的第一作者Lauzon說(shuō)。“我們相信基于DNA的納米機(jī)器可以幫助回答有關(guān)自然和人造納米機(jī)器的創(chuàng)造和進(jìn)化的基本問(wèn)題。

Lauzon和Vallée-Bélisle花了數(shù)年時(shí)間進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們能夠證明納米機(jī)器可以輕松承受碎裂，但更重要的是，這種破壞性事件允許創(chuàng)造各種新的功能，包括對(duì)成分濃度，溫度和突變變化的不同靈敏度水平。

研究人員發(fā)現(xiàn)，這些功能可以通過(guò)控制每種成分的濃度來(lái)產(chǎn)生。例如，當(dāng)將納米機(jī)器切割成三個(gè)組分時(shí)，發(fā)現(xiàn)納米機(jī)器在高濃度組分下更靈敏地激活。相反，在低濃度的組件下，納米機(jī)器可以被編程為在特定時(shí)刻激活或停用，或者簡(jiǎn)單地抑制它們的功能。

“總的來(lái)說(shuō)，這些新穎的功能是通過(guò)簡(jiǎn)單地切割或破壞現(xiàn)有納米機(jī)器的結(jié)構(gòu)來(lái)創(chuàng)建的，”Lauzon說(shuō)。“這些功能可以極大地改善基于人類的納米技術(shù)，如傳感器，藥物載體甚至分子計(jì)算機(jī)。

不斷發(fā)展的新功能

正如畢加索通常會(huì)銷(xiāo)毀數(shù)十件未完成的作品來(lái)創(chuàng)作他的著名藝術(shù)品一樣，就像肌肉需要分解才能變得更強(qiáng)壯一樣，創(chuàng)新的新公司是通過(guò)從市場(chǎng)上淘汰老競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手而誕生的，納米級(jí)機(jī)器可以通過(guò)拆開(kāi)來(lái)發(fā)展新功能。

與手機(jī)、電視和汽車(chē)等普通機(jī)器不同，這些機(jī)器是通過(guò)使用螺釘和螺栓、膠水、焊料或電子設(shè)備組合組件制成的，“納米機(jī)器依賴于數(shù)千個(gè)微弱的動(dòng)態(tài)分子間力，這些力可以自發(fā)重組，使破碎的納米機(jī)器能夠重新組裝，”Vallée-Bélisle說(shuō)。

除了為納米技術(shù)研究人員提供簡(jiǎn)單的設(shè)計(jì)策略來(lái)創(chuàng)建下一代納米機(jī)器外，UdeM團(tuán)隊(duì)的研究結(jié)果還揭示了天然分子納米機(jī)器如何進(jìn)化。

“生物學(xué)家最近發(fā)現(xiàn)，大約20%的生物納米機(jī)器可能是通過(guò)基因的碎片化進(jìn)化而來(lái)的，”Vallée-Bélisle說(shuō)。“根據(jù)我們的研究結(jié)果，生物學(xué)家現(xiàn)在有了合理的基礎(chǔ)來(lái)理解這些祖先蛋白質(zhì)的碎片化如何為地球上的生命創(chuàng)造新的分子功能。

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