生物分子机的升起

非生物和生物生命之间有什么区别？在生物系统中，各个组件具有特定的功能和任务，与人为制成的机器一样，但关键差异在于复杂性。随着新的实验技术使得可以进一步进入微观世界，因此出现了更多的问题，即单分子物种如何产生生命。Vladik Avetisov教授在Semenov化学物理学研究所正在研究分子机的设计，特别是如何建造低聚物的作用。

生物体代表了高度复杂化学反应的偶然和谐。当我们开始更详细地开始理解分子水平的过程，这些分子机器的行为变得更加令人难以置信。

在我们的细胞中，蛋白质负责大量的细胞功能。根据他们的作用，他们可能会从侵袭病毒和细菌中捍卫细胞，或者作为使信使，通过神经系统的信息来协调团结的生理反应。蛋白质的功能反映在其结构和组合物中。表现为抗体的蛋白质具有大的粘合位点，其具有恰好的原子组成和分子间相互作用，以结合一种特异性抗原。信使蛋白倾向于非常小，需要容易地从身体的一部分传递到另一个部分。

许多蛋白质彼此结合或其他化学品以形成低聚物，由几个重复单元制成的分子复合物。聚合物是较长的寡聚体的链形式，由较大数量的重复单元组成。然而，低聚物和聚合物不仅由蛋白质形成，而且可以是非常小的合成化合物的重复化学基序。低聚物或聚合物的性质对于它们的行为和性质非常重要。

Vladik Avetisov教授在Semenov化学物理学研究所非常兴趣了解这种低聚物物种的性质如何影响其功能以及它们如何形成分子机器。特别是，他一直在专注于使用模拟来了解具有触发式和开关类型元素的纳米级系统的行为，类似于电路中的特征。

机器块
分子大小的机器和工程结构之间存在许多协同作用。Avetisov教授一直在学习的系统之一是欧拉拱的一个例子。欧拉拱形是两个刚性杆的系统，其与弹簧的铰链一起连接在一起。弹簧承受拱门的负荷并将其与弯曲相似的方式，以与梯形相似。然而，当欧拉拱在静态条件下可能是稳定的，但如果施加突然的纵向和横向载荷，则可能发生“灾难”，并且结构可能掉下来。

欧拉拱门经常被提及
作为“灾难机器”的经典示例。

虽然崩溃的艰苦建筑结构本身可能看起来灾难性，但灾难在力的背景下具有特定的含义。它指的是任何导致拱形形状突然变化或变形的变化。欧拉拱门通常被称为“灾难机器”的经典示例，因为在任一方向上施加的力将导致由于弹簧的行为导致结构的强烈扰动。

由于欧拉拱是一种古典对象，并且其行为可以以纵向和横向力执行的弹簧能量和机械工作来表达，可以从拱门中检查最高和最低能量几何形状，并映射出三个- 描述拱形作为组合力的函数的尺寸的表面。

对于欧拉拱，该表面揭示了拱门可能有两个低能量结构或稳定的形式。这些稳定的形式由大山丘或能量屏障分开，这意味着系统一次将达到一个稳定点并留在那里。但是，如果施加大量的能量或突然的横向载荷，则系统将跳转到另一个稳定的最小值。同样，它将被捕获，直到应用突然的外力。这种行为称为双稳态。

随机摆动
Avetisov教授和他的团队发现是系统中的随机波动也可以触发系统的两个稳定状态之间的转换。对于低聚物，其中原子处于恒定运动的情况下，随机响应可以放大随机运动的噪声，并为跳跃配置提供足够的驱动力。

低聚物可以是一个有前途的候选者，作为两种状态，完全可切换的机器，对其环境具有令人难以置信的敏感性。

通过运行模拟，意指寡聚物中所有原子的位置作为时间的函数，Avetisov教授和他的团队看到将键合相互作用的变化从低聚物分子内的相互作用与低聚物相互作用围绕溶剂实际上会影响结构。当我们的细胞是含有大多数化学和蛋白质的环境非常含水的环境中，分子溶剂相互作用在生物学中非常重要。分子的更开放形式仍然相对不变，但如果这种情况发生在高度压缩的封闭形式中，则足以触发自发振动的放大并导致分子的进一步结构变形。可以观察到在纳秒的时间尺度上的两个双稳态状态之间跳跃。

在改变状态之后，低聚物还具有其先前结构的存储器或滞后，并且可以被驱动回原始状态。前向和储备路径并不完全等同，但这意味着低聚物可以是一个有前途的候选者，作为两种状态，完全可切换的机器，对其环境具有令人难以置信的高敏感性。

设计未来
Avetisov教授认为，这种双稳态可以利用分子机的故意设计，特别是对于单分子传感器。大多数检测技术需要存在一定浓度的分子以便能够看到一种信号，这对应于单个分子的数百个，如果不是数千个单独的分子。然而，这些低聚物机能够改变与只有一个分子相互作用的状态。在找到清晰的签名以检测闭合和打开状态，该纳米机器可以是单分子的高效传感器。这种单分子灵敏度不能仅用于检测，但是对于驱动微小的纳米机械和纳米机电装置来构建分子水平电路。