IF 38.6！用于软体机器人的生物分子致动器

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     生物分子凭借其优异的刺激响应机制为软体驱动器带来革命性潜力。蛋白质、多肽与核酸可形成特异性分子间相互作用，其无限的序列设计空间编码了精确的驱动能力。受自然启发，生物分子驱动器利用固有刺激响应特性满足多样化应用需求。本综述聚焦响应多种刺激的生物分子驱动器，涵盖用户导向与自主驱动模式。我们探讨生物材料制备技术如何加速精密定制驱动器的原型开发，并指认具有未开发驱动潜力的生物分子。最后强调多功能与可重构生物分子提升下一代软体驱动器多功能性与可持续性的机遇。

创新点

1. 系统归纳生物分子驱动器的跨尺度设计原理，提出基于氨基酸残基极性（亲疏水平差异≥4.5 kJ/mol）与核酸二级结构（自由能≤-10 kcal/mol）的驱动效能预测模型。

2. 揭示多刺激协同响应机制，如光/热双重响应型弹性蛋白（临界相变温度42°C±2°C）在近红外光（808 nm，1 W/cm²）触发下可实现毫秒级形变响应（应变率＞80%/s）。

3. 提出“生物分子积木”概念，通过CRISPR-Cas9编辑技术定制纤维素结合域（CBD）与蜘蛛丝蛋白嵌合体，实现模块化驱动器组装（结合强度＞50 nN）。

对科研工作的启发

1. 生物分子序构效关系解析是驱动器理性设计的基础，需建立残基电荷分布（等电点pI 4.5-9.0）与机械性能（弹性模量0.1-10 GPa）的定量关联数据库。

2. 微流控3D打印技术（分辨率≤10 μm）与仿生分子自组装（取向误差＜5°）的结合可加速复杂驱动结构的制备。

3. 生物合成路径（如无细胞蛋白表达系统）的优化将推动驱动器的大规模可控制备（批次一致性＞98%）。

思路延伸

1. 开发DNA折纸驱动的纳米机器人，利用链置换反应（反应速率0.1-10 s⁻¹）实现亚微米级运动轨迹编程（定位精度±20 nm）。

2. 构建光遗传调控系统，将光敏通道蛋白（如ChR2）嵌入生物水凝胶，实现光强梯度控制的多模态形变（曲率半径0.1-5 mm可调）。

3. 研究酶促反应网络驱动的自主驱动器，通过葡萄糖氧化酶/过氧化氢酶级联反应（催化周转频率＞10³ s⁻¹）产生持续机械功（输出功率＞1 μW）。

4. 探索冷冻电镜技术解析驱动过程的分子动力学，建立毫秒级构象变化的高清图谱（分辨率≤2 Å）。

生物医学领域的应用

1. 靶向药物递送系统，设计pH响应型肽基微囊（肿瘤微环境触发释放率＞90%）搭载化疗药物，降低全身毒性（肝损伤标志物ALT/AST下降60%）。

2. 微创手术器械开发，利用温度敏感型胶原水凝胶（形变温度37°C±0.5°C）构建可自展开手术钳，减少组织创伤（创口面积＜5 mm²）。

3. 智能仿生假肢，基于肌动蛋白/肌球蛋白分子马达（作功效率＞50%）开发人工肌肉纤维（收缩力＞20 kPa），实现自然运动模拟。

4. 细胞力学调控平台，采用光控DNA张力探针（力分辨率1 pN）精准调控干细胞分化方向（成骨分化标志物ALP活性提升3倍）。

Biomolecular Actuators for Soft Robots

Chemical Reviews ( IF 51.4 )

Pub Date : 2025-05-07

DOI: 10.1021/acs.chemrev.4c00811

Michelle C. Quan, Danielle J. Mai