进入二十一世纪的今天，利用纳米机器人进入人体，进行健康检查、疾病诊断和治疗，例如精确定位消灭癌细胞，清除血管内有害堆积物等等[1]，仍是一个诱人的梦想。科学家们一直致力于这个梦想的实现，最近德国科学家关于纳米尺寸“酶马达”的研究成果使这个梦想离实现又迈进了一步[2,3]。
德国Groningen大学有机合成化学专业Feringa教授研究小组，首次设计制造出以人体内葡萄糖为燃料的“酶马达”，并成功用于驱动碳纳米管的移动。这种“酶马达”具有纳米级的尺寸，有望作为体内纳米机器人的驱动装置。该项研究成果为设计构建，以可再生性物质为燃料的，人体友好的功能性纳米机器开辟了道路[2]。
人体内广泛存在着蛋白质构成的分子马达，在细胞内输送、细胞分裂、肌肉收缩等很多生命过程中发挥了重要作用[3]。在近代，特别是随着纳米技术的发展，使得人们在认识研究分子马达的基础上，有可能模仿这些人体内精巧的微型马达，制造出功能强大的纳米机器人。这些纳米机器人潜在用途广泛，其中特别重要的就是应用于人体，来实现一些常规诊断、治疗手段不能达到的目的。目前，很多科学家热衷于设计发明以光能、化学燃料为动力的人工纳米机器，并希望能应用于体内[3]。
Feringa教授研究小组发明的这种“酶马达”是酶修饰的碳纳米管生物杂化系统（biohybrid system）。它主要通过联合使用两种酶——葡萄糖氧化酶（glucose oxidase）和过氧化氢酶（catalase），以人体内普遍存在的葡萄糖（glucose）为原料，氧化生成过氧化氢，再进一步催化使其释放出氧气，当气泡破裂时便可以驱动负载着酶的碳纳米管进行移动。过氧化氢已被证明是一种很有潜力应用于微型马达驱动的化学燃料。但是过氧化氢具有活泼的反应性，大大限制了其实际使用。Feringa研究小组则希望通过联合使用葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶作为纳米机器的“发动机”来有效解决这个问题。因为人体内普遍存在的葡萄糖可以在葡萄糖氧化酶的催化下，结合氧气转化为葡萄糖酸内酯，同时生成过氧化氢；然后在过氧化氢酶的催化下，可以使过氧化氢高效地分解为水和氧气，如下所示：
葡萄糖 + 氧气 → 葡萄糖酸内酯 + 过氧化氢 （葡萄糖氧化酶催化）
过氧化氢 → 氧气 + 水 （过氧化氢酶催化）
整个化学反应过程中，所消耗的氧气大于最后生成的氧气。但是在葡萄糖氧化酶周围聚集着生成的过氧化氢，高浓度的过氧化氢在酶催化下，短时间内释放氧气，就会形成气泡；当气泡破裂时便可以推动负载着酶的碳纳米管移动。这种“酶马达”使用人体内普遍存在且性质稳定的葡萄糖为燃料，代替了性质活泼的过氧化氢，既可以使纳米机器在体内作业时方便地获取燃料，而且这种燃料足够惰性安全。他们研究发现碳纳米管的移动受到“酶-碳纳米管复合物”的整体形状影响，并且与酶在碳纳米管上固定的部位也有关系。虽然目前这种“酶马达”驱动的碳纳米管移动规律还没有被研究透彻。但是研究者相信，随着在纳米尺度上精确定位修饰的技术不断提高，完全有希望通过合理设计制造出符合要求的纳米马达，并应用于实际。
参考文献
[1]
http://www.hfcas.ac.cn/tuanw/kepu/nm3.htm
[2] rsc.org/Publishing/ChemScience/Volume/2008/01/enzyme_powered_delivery_vehicles.asp
[3] Davide Pantarotto, Wesley R. Browne, Ben L. Feringa，Autonomous propulsion of carbon nanotubes powered by a multienzyme ensemble，Chem. Commun., 2008, DOI: 10.1039/b715310d
作者：
2008-3-31