分子马达如何将能量损耗降至最低

https://www.dprenvip.com/wp-content/uploads/2025/10/large-6.png在每个生物细胞内都有一种名为三磷酸腺苷（ATP）合酶的酶，它能大量产出富含能量的分子，为细胞活动供能。新实验通过人工转动该酶的其中一个分子马达，来研究这个 “能量工厂” 的运作机制 。结果表明，维持固定的旋转速率可将微观波动导致的能量浪费降至最低。未来研究有望确认效率在生物马达进化设计中的作用 。

ATP合酶由两个旋转的分子马达F₀和F₁组成，它们沿共同旋转轴排列并相互锁定，使得F₀的旋转对F₁中间的轴产生扭矩 。F₁内由此产生的运动，有助于将ATP分子的化学成分聚集在一起，ATP储存的能量随后可用于细胞过程 。

研究人员已确定了这些马达的原子结构，但F₀与F₁之间耦合的细节尚不清楚 。F₀嵌入细胞膜中，质子穿过该膜驱动F₀旋转 。然而，日本东北大学的鸟部翔一表示，直接测量F₀的扭矩颇具挑战，因为这需要在可控的实验室环境中重现细胞膜及其化学环境 。

鸟部翔一及其同事设计了一种方法来克服这一挑战 。他们推断，F₀可以不同方式对F₁施加扭矩，但进化会倾向于选择更节能的驱动机制 。为探究效率的作用，团队用人工马达取代F₀，并以两种方式驱动F₁旋转：要么施加恒定扭矩，要么用可变扭矩固定旋转速率 。人工旋转F₁马达并非新方法，但此前无人能以两种不同模式驱动该马达并测量其效率 。

研究人员首先从芽孢杆菌中分离出F₁马达 。他们将马达的外框架固定在载玻片上，并使用一种化学胶将一对聚苯乙烯珠子连接到F₁轴上 。然后，研究人员引入一组电极并施加时变电压，使珠子像F₀那样带动轴绕其轴线转动 。该系统浸泡在含有ATP成分的溶液中，这样F₁马达就能进行与在细胞内相同的化学组装 。

为求出每种模式下的效率，团队用F₁轴的总旋转所确定的输出能量，除以电极提供的输入能量 。结果显示，恒速转动模式比恒扭矩模式更高效 。

为解释这些观察结果，团队成员、加拿大西蒙弗雷泽大学的大卫·西瓦克及其同事，对实验系统中波动的影响进行了建模 。这些波动源于原子的随机热运动，例如，它们既能推动旋转，也能阻碍旋转 。西瓦克说：“有些波动有帮助，有些则有阻碍，但阻碍的影响大于帮助的影响 。” 他解释称，恒速转动模式能更好地平衡正负效应，因此比恒扭矩模式更高效 。

研究人员认为，他们的工作揭示了分子机器的一个通用指导原则：以恒定速度运行可抑制随机波动的影响，并将能量浪费降至最低 。鸟部翔一表示，类似原则也适用于宏观马达：“人们常说，以稳定速度驾驶汽车是最省油的方式，因为突然刹车或加速通常会消耗额外能量 。”

尽管恒速转动模式有优势，但尚不清楚F₀是否采用这种策略 。该马达与细胞环境存在复杂的相互作用，可能更倾向于采用更复杂的驱动模式 。研究人员称，未来实验通过在可控的实验室环境中将F₀与F₁结合，可能会揭示有关这种机械行为的新线索 。

意大利国际理论物理中心的生物物理学家埃德加·罗兰表示：“该团队分离和操纵F₁机械运动的方法巧妙、高效 。” 他指出，研究人员进行了对照实验，在实验中人工马达自由转动，不与F₁相连 。在这种 “去除生物学因素” 的情况下，该机械系统在两种驱动模式下的效率没有差异 。罗兰说，因此，对驱动模式的敏感性可能是生物活动的一个重要特征 。