Fysiska kemister har tagit fram en rullande DNA-baserad motor som är 1, 000 gånger snabbare än någon annan syntetisk DNA -motor, ger den potential för verkliga applikationer, såsom sjukdomsdiagnostik. Naturnanoteknik publicerar fyndet.

"Till skillnad från andra syntetiska DNA-baserade motorer, som använder ben för att "gå" som små robotar, vår är den första rullande DNA -motorn, vilket gör det mycket snabbare och mer robust, "säger Khalid Salaita, kemisten vid Emory University som ledde forskningen. "Det är som den biologiska ekvivalenten till uppfinningen av hjulet för DNA -maskiner."

Hastigheten på den nya DNA-baserade motorn, som drivs av ribonukleas H, betyder att ett enkelt smartmikroskop kan fånga sin rörelse genom video. Forskarna har lämnat in ett patent för patentuppfinning för konceptet att använda partikelrörelsen i deras rullande molekylmotor som en sensor för allt från en enda DNA -mutation i ett biologiskt prov till tungmetaller i vatten.

"Vår metod erbjuder ett sätt att göra billiga, lågteknologisk diagnostik i inställningar med begränsade resurser, Säger Salaita.

Fältet med syntetiska DNA-baserade motorer, även känd som nano-walkers, är ca 15 år gammal. Forskare strävar efter att duplicera handlingen från naturens nanotrångare. Myosin, till exempel, är små biologiska mekanismer som "går" på filament för att bära näringsämnen genom människokroppen.

"Det är det ultimata inom science fiction, "Salaita säger om strävan att skapa små robotar, eller nano-bots, som kan programmeras för att göra dina bud. "Människor har drömt om att skicka in nano-bots för att leverera droger eller för att reparera problem i människokroppen."

Än så länge, dock, mänsklighetens ansträngningar har kommit långt ifrån naturens myosin, som går snabbt om sina biologiska ärenden. "Myosins förmåga att omvandla kemisk energi till mekanisk energi är häpnadsväckande, "Salaita säger." De är de mest effektiva motorerna vi känner till idag. "

Vissa syntetiska nanoturgångare rör sig på två ben. De är i huvudsak enzymer gjorda av DNA, drivs av katalysatorn RNA. Dessa nano-vandrare tenderar att vara extremt instabila, på grund av de höga nivåerna av brunisk rörelse i nanoskala. Andra versioner med fyra, och till och med sex, benen har visat sig vara mer stabila, men mycket långsammare. Faktiskt, deras takt är glacial:En fyrbent DNA-baserad motor skulle behöva cirka 20 år för att röra sig en centimeter.

Kevin Yehl, en postdoktor i Salaita-labbet, hade tanken att konstruera en DNA-baserad motor med hjälp av en mikronstor glaskula. Hundratals DNA -strängar, eller "ben, "får binda till sfären. Dessa DNA -ben placeras på en glasskiva belagd med reaktanten:RNA.

DNA -benen dras till RNA, men så snart de sätter sin fot på det förstör de det genom aktiviteten hos ett enzym som kallas RNase H. När benen binder och sedan släpper från substratet, de leder sfären längs, så att fler av DNA -benen fortsätter att binda och dra.

"Det kallas en bränd bryggmekanism, "Salaita förklarar." Varhelst DNA -benen stiger, de trampar och förstör reaktanten. De måste fortsätta röra sig och gå där de inte har klivit för att hitta mer reaktant. "

Kombinationen av rullande rörelse, och hastigheten för RNas H -enzymet på ett substrat, ger den nya DNA -motorn dess stabilitet och hastighet.

"Vår DNA-baserade motor kan färdas en centimeter på sju dagar, istället för 20 år, gör det till 1, 000 gånger snabbare än de äldre versionerna, "Salaita säger." Faktum är att naturens myosinmotorer är bara 10 gånger snabbare än våra, och det tog dem miljarder år att utvecklas. "

Forskarna visade att deras rullande motorer kan användas för att upptäcka en enda DNA -mutation genom att mäta partikelförskjutning. De limmade helt enkelt linser från två billiga laserpekare till kameran på en smart telefon för att göra telefonen till ett mikroskop och fånga videor av partikelrörelsen.

"Med hjälp av en smart telefon, vi kan få en avläsning för allt som stör enzym-substratreaktionen, eftersom det kommer att förändra partikelns hastighet, "Salaita säger." Till exempel, vi kan upptäcka en enda mutation i en DNA -sträng. "

Denna enkla, lågteknologisk metod kan vara till nytta för att göra diagnostisk avkänning av biologiska prover i fältet, eller var som helst med begränsade resurser.

Beviset för att motorerna rullade av en slump, Tillägger Salaita. Under deras experiment, två av glaskulorna fastnade ibland, eller dimeriserad. Istället för att vandra, de lämnade ett par raka, parallella spår över substratet, som en gräsklippare som klipper gräs.

"Det är det första exemplet på en syntetisk molekylmotor som går i en rak linje utan ett spår eller ett magnetfält för att styra den, Säger Salaita.

Förutom Salaita och Yehl, medförfattarna på Naturnanoteknik papper inkluderar Emory -forskarna Skanda Vivek, Yang Liu, Yun Zhang, Eric Weeks, Andrew Mugler (som nu är vid Purdue University) och Mengzhen Fan (Oxford University).