哈工大生命科学和医学学部贺强、吴英杰教授团队开发出一种游动纳米机器人用于ATP合成及定向运输

哈工大全媒体（刘培香 吴英杰 文/图）近日，我校生命科学和医学学部贺强、吴英杰教授团队在仿生游动纳米机器人领域取得重要研究进展，研究成果以《旋转FoF1-ATP合酶驱动的瓶状戊聚糖胶体马达用于ATP合成和储存》（Rotary FoF1‑ATP Synthase-Driven Flasklike Pentosan Colloidal Motors with ATP Synthesis and Storage）为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该研究以纳米尺度的旋转生物分子马达ATP合酶作为动力部件，成功实现了亚微米尺度游动纳米机器人仿生体系的生物能量货币ATP合成、储存及定向运输，该研究在主动靶向能量代谢调控治疗等生物医学领域具有广阔的应用前景。

在生物体中，定向迁移和生物能量货币ATP的供应对许多生理和病理过程至关重要。科学家们开发了各种具备正向或负向趋化能力的酶驱动游动纳米机器人以执行各种生物医学任务。然而，基于天然生物酶供能的游动纳米机器人对周围的离子环境敏感，存在生理条件下难以实现高效驱动的实际问题。FoF1-ATP合酶作为自然界最小的旋转生物分子马达，具有高效、安全的能量转化优势，且在生理条件下运转良好。因此，开发基于FoF1-ATP合酶作为动力单元的游动纳米机器人仿生体系，完善其生理条件下的自驱动性能及生物医学应用功能，将为游动纳米机器人执行精准诊疗任务提供重要的理论基础。

该研究团队以FoF1-ATP合酶作为动力单元，成功制备了一种流线型、亚微米尺度的瓶状游动纳米机器人。实验数据分析和理论模拟表明，基于FoF1-ATP合酶的优势和功能，外部质子通过瓶径向瓶腔内扩散协同驱动FoF1-ATP合酶发生磷酸化反应，能够利用生物体内广泛存在的ADP和无机磷酸盐（Pi）合成生物能源ATP，实现了生物安全的能量转换和自主运动能力，同时展示出较高的ATP的合成和储存能力。在外部质子梯度的环境下，游动纳米机器人表现出明显的负趋化性仿生行为，即朝着远离质子源的方向沿质子梯度定向迁移。此外，当外部介质存在诱导ATP释放的化学信号时，游动纳米机器人能够将内部储存的ATP按需释放。这种集ATP合成、储存和靶向递送功能于一体的游动纳米机器人，为与ATP失衡相关的疾病的精准治疗提供了新思路。

生命科学和医学学部贺强教授、吴英杰教授为论文通讯作者，博士研究生李月为论文第一作者，博士研究生刘君参与相关研究工作。

本研究获得国家自然科学基金重大项目和国家重点研发课题的支持。

全文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.4c00334

FoF1-ATP合酶分子马达协同驱动的游动纳米机器人用于ATP合成及定向运输