哈尔滨工业大学医学与健康学院贺强、吴英杰团队在仿生超分子胶体马达研究方向取得重要进展——首次创新性地运用生物分子马达的能量转化，提出了纳米尺度旋转生物分子马达协同驱动细胞尺度超分子胶体马达的构筑新方法，印证了由生物分子机器驱动更大尺度机器的可能性，从而为游动纳米机器人仿生设计拓展了新思路，也为未来通过主动调控细胞能量代谢以实现疾病的精准诊疗开辟了新途径。这项研究成果于近日在线发表于最新一期国际著名专业期刊《科学进展》上。

专家介绍，生物分子马达是生物体内能把化学能直接转换为机械能的一类蛋白质大分子纳米机器，细胞通过协调成百上千生物分子马达的运动和力量，在多个尺度上执行各种机械任务，如细胞内物质运输、细胞运动和肌肉收缩等。这其中，作为生物体能量代谢的一种关键酶，广泛分布和存在于线粒体、叶绿体、原核藻、异养菌和光合细菌中的旋转生物分子马达——即F0F1-ATP合酶（简称ATP合酶)虽然是自然界最小的旋转马达，却是一个干大事的“角色”——能把反应底物二磷酸腺苷（ADP）和无机磷转换为能量三磷酸腺苷（ATP），为各种细胞机器供应即时可用的能量，就像发动机为汽车提供驱动力一样。

针对这一现象，科学家们尝试将生物分子马达ATP合酶进行体外重组，以构建仿细胞体系，这是因为模拟细胞特定的结构和功能，有助于在分子层面上理解与认知生物活动的本质与物理化学机制；另一方面，纳米级分子马达的旋转作用能被放大到千牛顿级，进而实现肌肉收缩和细胞内物质运输等复杂的生物功能。如果能从纳米级生物分子马达出发来设计活性仿生材料和机器，类似于微米级细胞那样消耗能量推动自身连续运动，将会更好地模拟细胞功能，在生物医学领域无疑有巨大的应用潜力。

在国家自然科学基金重大项目和国家重点研发课题的支持下，贺强、吴英杰等人以《旋转生物分子马达驱动的超分子胶体马达》为题进行了潜心探索。研究团队利用结合模板辅助的层层自组装技术和囊泡融合技术，将从光合细菌中提取出来的含有ATP合酶的色素团囊泡组装在多层聚电解质微胶囊表面，创新性地以纳米尺度的旋转生物分子马达ATP合酶作为动力部件，驱动细胞尺度的超分子胶体马达，构建了以旋转生物分子马达为动力引擎的游动纳米机器人。

研究发现，含ATP合酶马达的色素团囊泡在聚电解质微胶囊表面的融合过程遵循“降落伞”机制，获得游动纳米机器人的非对称结构。结合实验数据的物理分析和理论模拟，在ADP、无机磷的反应溶液中，光照下游动纳米机器人的表面发生不对称的光合磷酸化反应，驱动游动纳米机器人运动，展示出较高的能量转化与驱动效率。通过改变光强，可有效调控游动纳米机器人的运动行为，模拟生命体从分子到介观到宏观逐级放大做功的状态，最终达到了对游动纳米机器人驱动行为精准时空控制的目的。

贺强教授评价指出，与传统的游动纳米机器人不同，上述创新技术运用生物分子马达高效的能量转化，以纳米尺度的旋转生物分子马达ATP合酶为驱动引擎，并进行动态调控，为游动纳米机器人仿生体系的设计打开了一片新天地；同时，这种兼具光响应、能量合成、自驱动和生物相容性等优势的生物分子马达驱动的游动纳米机器人，在结构和功能上更接近真实细胞，可帮助对生命起源的奥秘做出更深层次的揭示。

展望未来，借助仿生体系生物安全的能量转换和自主运动能力的优势，有望使游动纳米机器人参与到对生命体的能量供给；对受损的细胞、组织或器官按需释放能量ATP，给予及时修复；还能让新型游动纳米机器人携带探测设备和靶向药物，穿越种种屏障和障碍，完成人体内部精准、精细、完美的诊疗。

哈尔滨工业大学医学与健康学院吴英杰副教授、贺强教授和国科温州研究院巫浩副研究员为论文通讯作者。博士研究生刘君为论文第一作者。