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April 17th, 2009
(PhysOrg.com) -- 某些魚類物種能透過改變顏色與牠們的背景交融。Sandia 國家實驗室研究者已經證明，在理論上，他們能致使合成材料如同魚兒般改變顏色。
"偽裝（Camouflage，亦指保護色）服，那能與種種環境混合而不需要外部動力 -- 比如在海中為藍色而在沙漠環境中則為棕色 -- 正是這項研究最終能達成的，" 首席研究者 George Bachand 表示。"或著同樣功效能用於製造帥氣的平民服裝，那能夠自動變色以符合不同視覺設定。"
這樣的服裝能在五到十年內成真，他說。
生物與實驗室方法的動力來源倚賴基本的細胞燃料稱為 ATP，當它們分解時釋出能量。（約）50% 為運動蛋白（motor proteins，馬達蛋白）所吸收 -- 這種微小的分子馬達能沿著表面移動。
當魚類變色時，運動蛋白使它們「尾部」所攜帶的皮膚色素結晶體聚集與分散，那時，它們的「雙腳」沿著細胞的微小管（microtubule）骨架行走。利用這種方法，它們能重新排列顏色顯示。
採用一種開啟／關閉的開關
為了讓運動蛋白質運動或將它們關閉，大自然使用複雜的發訊網路（signaling networks）。Bachand 小組的方法較為簡單。那涉及運動蛋白結構中某種對接埠（docking port）的簡單遺傳介入。所對接的東西是鋅離子。與鋅離子結合，能將此蛋白的動作「關閉」。以化學藥劑將鋅離子剝離可使運動蛋白再度作用。這種效果是可控制的，且甚至是可逆轉的。
"我們本質上改造了蛋白質的結構，將一個開關引進這個運動蛋白，" Bachand 說。"故我們現在能將我們的奈米流體裝置開啟與關閉。"
先前調控運動蛋白活性的嘗試是把「燃料吸收」當成一種控制機制：燃料愈少，過程愈慢。Bachand 小組開關的運作獨立於燃料變化之外，類似早期汽車技術中的改進，那時一個簡單的點火開關接管更加複雜的變阻器（rheostat）。這篇描述這項研究的論文是 Biotechnology and Bioengineering 期刊中的焦點文章。
但這個開關所運作的是什麼？
如同搖滾演唱會中的「人體衝浪者（crowd surfers，這些『衝浪者』從聽眾的頭上傳過去）」
在倍受矚目期刊 Advanced Materials (Dec. 2, 2008) 的一篇封面文章中，Sandia 團隊描述一種顛倒的細胞世界，在此運動蛋白並沒有到處跑，反而倒了過來，故它們的尾端嵌入到玻璃載片上經蛋白質修改過的一層中。而自由排列的微小管（Free-ranging microtubules） -- 圓柱形蛋白質細絲 -- 並非形成細胞的細胞骨架，反倒如同一場搖滾演唱會中的人體衝浪者一樣，或如同水桶沿著一列消防隊員一手接著一手傳下去那樣，藉由擺動運動蛋白的腳順著通過。行進中的微小管以量子點塗布 -- 奈米尺度下的發光原子群，它們的頻率取決於量子點大小。
這些點所發出的光不同於它們所吸收的，而生物系統僅反射入射光。不過它們完成類似的著色功能。
電話線纏繞
當運動蛋白所運送的微小管相撞時，微小管會黏在一起與纏繞，直到它們像一整桌電話線。這種纏繞過程最終迫使穩定的環形物形成，直徑約 5 微米寬。它們對接的量子點（硒化）產生一系列的光頻率。
當環中力學上的張力導致它們破裂時，碎裂部份會被鄰近運動蛋白拖開，直到這個環狀物完全分解。這兩個階段 -- 自由微小管與環形物 -- 的形成與毀滅可顛倒控制。
因此，這些點能緊緊地被塞滿或分散 -- 光學上地，一種在顏色變換感知中的必要成份。
仿效魚類
此過程類似魚類改變顏色的動作，那需要一群運動蛋白攜帶色素以便一直「開啟」，而第二組運動蛋白則由複雜的生物過程在正確時間開啟。這在各組運動蛋白間產生了一場拔河競賽，那導致色素分散以及最終的顏色改變。當地二組運動馬達關閉，顏色回復到基礎聚集態（ground aggregate state）。
"我們整個過程都在模仿魚類，" Bachand 說。"我們本質上從分散粒子態到濃縮的，然後再度回到分散的狀態，類似魚類。因此，原則上此機制能夠產生顏色改變。構成其基礎的科學為材料科學提供了一種新基準，以便開始朝真實世界應用研究。"
※ 相關報導：
＊ Controlling kinesin motor proteins in nanoengineered systems through a metal-binding on/off switch
http://www3.interscience.wiley.com/journal/118636854/abstract
Adrienne C. Greene, Amanda M. Trent a, George D. Bachand＊ Biomolecular Motor-Powered Self-Assembly of Dissipative Nanocomposite Rings
Biotechnology and Bioengineering, Volume 101 Issue 3,
Pages 478 - 486
doi: 10.1002/bit.21927
http://www3.interscience.wiley.com/journal/121544300/abstract
Haiqing Liu, Erik D. Spoerke, Marlene Bachand, Steven J. Koch,＊ 產生鳥羽毛顏色的結構與啤酒泡沫相似
Bruce C. Bunker, George D. Bachand
Advanced Materials, Volume 20 Issue 23, Pages 4476 - 4481
doi: 10.1002/adma.200801291
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