单分子逻辑开关概述

molecular switches，通过激活机制或失活机制精确控制细胞内一系列信号传递的级联反应的蛋白质。

细胞内信号传递作为分子开关的蛋白质可分两类:一类开关蛋白(switch protein)的活性由蛋白激酶使之磷酸化而开启，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而关闭，许多由可逆磷酸化控制的开关蛋白是蛋白激酶本身，在细胞内构成信号传递的磷酸化级联反应;另一类主要开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。

英国朴次茅斯大学的科学家指出:有一天，这些微小的开关很可能形成微电子回路的基础，帮助人们更加快速和准确地解决DNA的排序问题。

这种新型的分子开关是通过固定在DNA上的微小金属珠的摆动来拉动一根DNA链的(如图)。双螺旋链的一端被附着在一个微芯片的微小通道上，DNA的另一端安放金属珠。这些金属珠只有1微米宽，也就是一根人头发丝直径的1/50。

珠子是顺磁性的，即在磁场中其行为就像其本身是一块磁铁。其结果，小珠子可以被拽向磁场，使DNA链立起。

接下去科学家将把可在 DNA上转动的发动机安装到DNA链上。这个发动机是一种自然产生的蛋白质，叫做限制修饰酶(restriction-modification enzyme)，燃料是三磷酸腺苷(ATP)。由糖、磷酸盐和核苷碱基腺嘌呤组成的分子能够为肌肉和其他生物组分供能，蛋白质只是结合在DNA链的特定位点上。

所有的DNA都由四种类型的核苷碱基组成，即腺嘌呤(A)，鸟嘌呤 (G)，胞核嘧啶(C)和胸腺嘧啶(T)。朴次茅斯大学的分子生物技术专家弗门(Keith Firman)说:"因为蛋白质发动机只能允许自己附着在DNA碱基的某些特定顺序上。这就使得科学家得以准确地控制它在DNA上的位置。"

当ATP燃料被添加在开关周围时，发动机会拉动DNA，在它下面绕圈，一直到它抵达金属珠。然后金属珠会撞上发动机，就像一根多节的绳子卡到了一个滑轮里一般。

当发动机耗尽了燃料的时候，它就脱离开DNA链，磁场于是重新将DNA拉紧。

正像任何磁性材料，顺磁的珠子在通过磁场的时候也将产生电信号。为了侦察到这种微弱的信号，科学家在DNA的通道基部放置了一些叫做"霍尔效应传感器"(Hall Effect sensor)的灵敏传感器。这些传感器可以感受到磁体的移动。

所以，在添加了燃料的时候，这个微装置就能发出开关的控制信号。弗门说:"叫它开关，因为它是被ATP燃料激活的，是用在发动机上的。当被激活时，它就会打开电子装置，而当它没有被激活时，就关闭了。

弗门还指出:未来，人们有可能制造出可以控制纳米管中流动材料的珠子。直接拉动DNA 链，让珠子移动进入纳米管，可以封锁住液体的流动;直接用开关释放DNA ，让金属珠移向磁场，就可以让液体再次通过。

对于通过细胞表面受体所介导的信号通路而言，除受体本身作为离子通道而起效应器作用的情况之外，其他的信号通路首先要完成配体结合所诱发的信号跨膜转导，随之要通过细胞内信号分子(包括第二信使)完成信号的逐级放大和终止。在细胞内一系列信号传递的级联反应中，必须有正、负两种相辅相成的反馈机制进行精确控制， 因此分子开关(molecular switches)的作用举足轻重，即对每一步反应既要求有激活机制又必然要求有相应的失活机制，而且二者对系统的功能同等重要。细胞内信号传递作为分子开关的蛋白质可分两类:一类开关蛋白(switch protein)的活性由蛋白激酶使之磷酸化而关闭，由蛋白磷酸酯酶使之去磷酸化而开启，许多由可逆磷酸化控制的开关蛋白是蛋白激酶本身，在细胞内构成信号传递的磷酸化级联反应;另一类主要开关蛋白由GTP结合蛋白组成，结合GTP而活化，结合GDP而失活。

任何机器都需要开关控制启动或关闭，麻雀虽小、五脏俱全的纳米机器也一样有和它们匹配的微小开关。分子开关(molecular switches)或者叫摩尔开关(mol.switches)就是这样一种能够控制比它们本身稍大的纳米装置的精巧结构。它们可以在纳米世界中发送信息遥控正常大小的传感器。