Varje år, robotar blir mer och mer verklighetstrogna. Soldrivna bin flyger på smidiga vingar, humanoider sticker bakåtflikar, och lag av fotbollsrobotar planerar hur man dribbler, passera, och poäng. Och, ju fler forskare upptäcker hur levande varelser rör sig, desto fler maskiner kan imitera dem ända ner till sina minsta molekyler.

"Vi har redan dessa fantastiska maskiner i våra kroppar, och de fungerar så bra, " sa Pallav Kosuri. "Vi vet bara inte exakt hur de fungerar."

I årtionden, forskare har jagat sätt att studera hur biologiska maskiner driver levande varelser. Varje mekanisk rörelse – från att dra ihop en muskel till att replikera DNA – är beroende av molekylära motorer som tar små, nästan oupptäckbara steg.

Att försöka se dem röra sig är som att försöka se en fotbollsmatch som äger rum på månen.

Nu, i en nyligen publicerad studie Natur , ett team av forskare inklusive Xiaowei Zhuang, David B. Arnold professor i vetenskap vid Harvard University och en utredare från Howard Hughes Medical Institute, och Zhuang Labs postdoktor Pallav Kosuri och Benjamin Altheimer, en Ph.D. student vid Graduate School of Arts and Sciences, fångade de första registrerade rotationsstegen i en molekylär motor när den flyttade från ett DNA-baspar till ett annat.

I samarbete med Peng Yin, en professor vid Wyss Institute och Harvard Medical School, och hans doktorand Mingjie Dai, teamet kombinerade DNA-origami med högprecisionsspårning av en molekyl, skapa en ny teknik som kallas ORBIT—origami-rotor-baserad avbildning och spårning—för att titta på molekylära maskiner i rörelse.

I våra kroppar, vissa molekylära motorer marscherar rakt över muskelceller, får dem att dra ihop sig. Andra reparerar, replikera eller transkribera DNA:Dessa DNA-interagerande motorer kan ta tag i en dubbelsträngad helix och klättra från en bas till nästa, som att gå uppför en spiraltrappa.

För att se dessa minimaskiner i rörelse, teamet ville dra fördel av den vridande rörelsen:Först, de limmade fast den DNA-samverkande motorn på ett styvt underlag. När du väl har fäst, motorn var tvungen att rotera helixen för att komma från en bas till nästa. Så, om de kunde mäta hur helixen roterade, de kunde avgöra hur motorn rörde sig.

Men det fanns fortfarande ett problem:varje gång en motor rör sig över ett baspar, rotationen förskjuter DNA:t med en bråkdel av en nanometer. Den förändringen är för liten för att lösas med även de mest avancerade ljusmikroskop.

Två pennor som låg i form av helikopterpropellrar gav upphov till en idé att lösa detta problem:En propeller fäst vid det snurrande DNA:t skulle röra sig med samma hastighet som helixen och, därför, den molekylära motorn. Om de kunde bygga en DNA-helikopter, precis tillräckligt stor för att de svängande rotorbladen ska kunna visualiseras, de kunde fånga motorns svårfångade rörelse på kameran.

För att bygga propellrar i molekylstorlek, Kosuri, Altheimer och Zhuang bestämde sig för att använda DNA-origami. Används för att skapa konst, leverera läkemedel till celler, studera immunförsvaret, och mer, DNA-origami innebär att manipulera strängar för att binda till vackra, komplicerade former utanför den traditionella dubbelhelixen.

"Om du har två komplementära DNA-strängar, de zippar upp, " sa Kosuri. "Det är vad de gör." Men, om en sträng ändras för att komplettera en sträng i en annan helix, de kan hitta varandra och zippa upp istället, väva nya strukturer.

För att konstruera sina origamipropellrar, laget vände sig till Peng Yin, en pionjär inom origamiteknik. Med vägledning från Yin och hans doktorand Dai, teamet vävde nästan 200 enskilda bitar av DNA-bitar till en propellerliknande form 160 nanometer lång. Sedan, de fäste propellrar till en vanlig dubbelhelix och matade den andra änden till RecBCD, en molekylär motor som öppnar upp DNA. När motorn började fungera, den snurrade DNA, vrider propellern som en korkskruv.

"Ingen hade sett detta protein faktiskt rotera DNA:t eftersom det rör sig supersnabbt, " sa Kosuri.

Motorn kan röra sig över hundratals baser på mindre än en sekund. Men, med sina origamipropellrar och en höghastighetskamera som körs med tusen bilder per sekund, teamet kunde äntligen registrera motorns snabba rotationsrörelser.

"Så många kritiska processer i kroppen involverar interaktioner mellan proteiner och DNA, ", sa Altheimer. Att förstå hur dessa proteiner fungerar - eller inte fungerar - kan hjälpa till att svara på grundläggande biologiska frågor om människors hälsa och sjukdomar.

Teamet började utforska andra typer av DNA-motorer. Ett, RNA-polymeras, rör sig längs DNA för att läsa och transkribera den genetiska koden till RNA. Inspirerad av tidigare forskning, teamet teoretiserade att denna motor kunde rotera DNA i 35-graderssteg, motsvarande vinkeln mellan två angränsande nukleotidbaser.

ORBIT visade att de hade rätt:"För första gången, vi har kunnat se de enkla basparrotationerna som ligger bakom DNA-transkription, " sa Kosuri. De rotationsstegen är, som förutspått, runt 35 grader.

Miljontals självmonterande DNA-propellrar får plats i bara ett objektglas, vilket innebär att teamet kan studera hundratals eller till och med tusentals av dem på en gång, med bara en kamera kopplad till ett mikroskop. På det sättet, de kan jämföra och kontrastera hur enskilda motorer utför sitt arbete.

"Det finns inga två enzymer som är identiska, " sa Kosuri. "Det är som en djurpark."

Ett motorprotein kan hoppa framåt medan ett annat tillfälligt klättrar bakåt. Ännu en annan kan pausa på en bas längre än någon annan. Teamet vet ännu inte exakt varför de flyttar som de gör. Beväpnad med ORBIT, de kanske snart.

ORBIT skulle också kunna inspirera till nya nanoteknikdesigner som drivs med biologiska energikällor som ATP. "Vad vi har gjort är en hybrid nanomaskin som använder både designade komponenter och naturliga biologiska motorer, " sa Kosuri. En dag, sådan hybridteknik kan vara den bokstavliga grunden för biologiskt inspirerade robotar.