單分子邏輯開關(guān)

molecular switches，通過激活機制或失活機制精確控制細胞內(nèi)一系列信號傳遞的級聯(lián)反應(yīng)的蛋白質(zhì)。

細胞內(nèi)信號傳遞作為分子開關(guān)的蛋白質(zhì)可分兩類:一類開關(guān)蛋白(switch protein)的活性由蛋白激酶使之磷酸化而開啟，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而關(guān)閉，許多由可逆磷酸化控制的開關(guān)蛋白是蛋白激酶本身，在細胞內(nèi)構(gòu)成信號傳遞的磷酸化級聯(lián)反應(yīng);另一類主要開關(guān)蛋白由GTP結(jié)合蛋白組成，結(jié)合GTP而活化，結(jié)合GDP而失活。

英國樸次茅斯大學(xué)的科學(xué)家指出:有一天，這些微小的開關(guān)很可能形成微電子回路的基礎(chǔ)，幫助人們更加快速和準(zhǔn)確地解決DNA的排序問題。

這種新型的分子開關(guān)是通過固定在DNA上的微小金屬珠的擺動來拉動一根DNA鏈的(如圖)。雙螺旋鏈的一端被附著在一個微芯片的微小通道上，DNA的另一端安放金屬珠。這些金屬珠只有1微米寬，也就是一根人頭發(fā)絲直徑的1/50。

珠子是順磁性的，即在磁場中其行為就像其本身是一塊磁鐵。其結(jié)果，小珠子可以被拽向磁場，使DNA鏈立起。

接下去科學(xué)家將把可在 DNA上轉(zhuǎn)動的發(fā)動機安裝到DNA鏈上。這個發(fā)動機是一種自然產(chǎn)生的蛋白質(zhì)，叫做限制修飾酶(restriction-modification enzyme)，燃料是三磷酸腺苷(ATP)。由糖、磷酸鹽和核苷堿基腺嘌呤組成的分子能夠為肌肉和其他生物組分供能，蛋白質(zhì)只是結(jié)合在DNA鏈的特定位點上。

所有的DNA都由四種類型的核苷堿基組成，即腺嘌呤(A)，鳥嘌呤 (G)，胞核嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。樸次茅斯大學(xué)的分子生物技術(shù)專家弗門(Keith Firman)說:"因為蛋白質(zhì)發(fā)動機只能允許自己附著在DNA堿基的某些特定順序上。這就使得科學(xué)家得以準(zhǔn)確地控制它在DNA上的位置。"

當(dāng)ATP燃料被添加在開關(guān)周圍時，發(fā)動機會拉動DNA，在它下面繞圈，一直到它抵達金屬珠。然后金屬珠會撞上發(fā)動機，就像一根多節(jié)的繩子卡到了一個滑輪里一般。

當(dāng)發(fā)動機耗盡了燃料的時候，它就脫離開DNA鏈，磁場于是重新將DNA拉緊。

正像任何磁性材料，順磁的珠子在通過磁場的時候也將產(chǎn)生電信號。為了偵察到這種微弱的信號，科學(xué)家在DNA的通道基部放置了一些叫做"霍爾效應(yīng)傳感器"(Hall Effect sensor)的靈敏傳感器。這些傳感器可以感受到磁體的移動。

所以，在添加了燃料的時候，這個微裝置就能發(fā)出開關(guān)的控制信號。弗門說:"叫它開關(guān)，因為它是被ATP燃料激活的，是用在發(fā)動機上的。當(dāng)被激活時，它就會打開電子裝置，而當(dāng)它沒有被激活時，就關(guān)閉了。

弗門還指出:未來，人們有可能制造出可以控制納米管中流動材料的珠子。直接拉動DNA 鏈，讓珠子移動進入納米管，可以封鎖住液體的流動;直接用開關(guān)釋放DNA ，讓金屬珠移向磁場，就可以讓液體再次通過。

對于通過細胞表面受體所介導(dǎo)的信號通路而言，除受體本身作為離子通道而起效應(yīng)器作用的情況之外，其他的信號通路首先要完成配體結(jié)合所誘發(fā)的信號跨膜轉(zhuǎn)導(dǎo)，隨之要通過細胞內(nèi)信號分子(包括第二信使)完成信號的逐級放大和終止。在細胞內(nèi)一系列信號傳遞的級聯(lián)反應(yīng)中，必須有正、負兩種相輔相成的反饋機制進行精確控制， 因此分子開關(guān)(molecular switches)的作用舉足輕重，即對每一步反應(yīng)既要求有激活機制又必然要求有相應(yīng)的失活機制，而且二者對系統(tǒng)的功能同等重要。細胞內(nèi)信號傳遞作為分子開關(guān)的蛋白質(zhì)可分兩類:一類開關(guān)蛋白(switch protein)的活性由蛋白激酶使之磷酸化而關(guān)閉，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而開啟，許多由可逆磷酸化控制的開關(guān)蛋白是蛋白激酶本身，在細胞內(nèi)構(gòu)成信號傳遞的磷酸化級聯(lián)反應(yīng);另一類主要開關(guān)蛋白由GTP結(jié)合蛋白組成，結(jié)合GTP而活化，結(jié)合GDP而失活。

任何機器都需要開關(guān)控制啟動或關(guān)閉，麻雀雖小、五臟俱全的納米機器也一樣有和它們匹配的微小開關(guān)。分子開關(guān)(molecular switches)或者叫摩爾開關(guān)(mol.switches)就是這樣一種能夠控制比它們本身稍大的納米裝置的精巧結(jié)構(gòu)。它們可以在納米世界中發(fā)送信息遙控正常大小的傳感器。