Genom en teknik som kallas DNA-origami, forskare har skapat den snabbaste, mest ihållande DNA-nanomotorn hittills. Angewandte Chemie publicerade resultaten, som ger en plan för hur man optimerar designen av motorer i nanoskala - hundratals gånger mindre än den typiska mänskliga cellen.

"Nanoskalamotorer har en enorm potential för tillämpningar inom biosensing, i att bygga syntetiska celler och även för molekylär robotik, " säger Khalid Salaita, en senior författare av tidningen och en professor i kemi vid Emory University. "DNA-origami gjorde det möjligt för oss att mixtra med motorns struktur och testa designparametrarna som styr dess egenskaper."

Den nya DNA-motorn är stavformad och använder RNA-bränsle för att rulla ihärdigt i en rak linje, utan mänsklig inblandning, med hastigheter upp till 100 nanometer per minut. Det är upp till 10 gånger snabbare än tidigare DNA-motorer.

Salaita är också på fakulteten vid Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, ett gemensamt program för Georgia Institute of Technology och Emory. Tidningen är ett samarbete mellan Salaita-labbet och Yonggang Ke, biträdande professor vid Emory's School of Medicine och Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering.

"Vår konstruerade DNA-motor är snabb, "Ke säger, "men vi har fortfarande en lång väg kvar att gå för att uppnå mångsidigheten och effektiviteten hos naturens biologiska motorer. I slutändan, Målet är att göra artificiella motorer som matchar sofistikeringen och funktionaliteten hos proteiner som flyttar runt last i celler och låter dem utföra olika funktioner."

Att göra saker av DNA, smeknamnet DNA-origami efter det traditionella japanska pappersvikningshantverket, drar fördel av den naturliga affiniteten för DNA-baserna A, G, C och T för att para ihop med varandra. Genom att flytta runt bokstäverna på strängarna, forskare kan få DNA-strängarna att binda samman på sätt som skapar olika former. Styvheten hos DNA-origami kan också enkelt justeras, så de förblir raka som en bit torr spagetti eller böjs och rullas ihop som kokt spagetti.

Växande beräkningskraft, och användningen av DNA-självmontering för genomikindustrin, har avsevärt avancerat området för DNA-origami under de senaste decennierna. Potentiella användningsområden för DNA-motorer inkluderar läkemedelstillförselanordningar i form av nanokapslar som öppnas när de når en målplats, nanodatorer och nanorobotar som arbetar på löpande band i nanoskala.

"Dessa applikationer kan verka som science fiction nu, men vårt arbete hjälper till att flytta dem närmare verkligheten, " säger Alisina Bazrafshan, en Emory Ph.D. kandidat och första författare till den nya uppsatsen.

En av de största utmaningarna med DNA-motorer är det faktum att reglerna för rörelse på nanoskala är annorlunda än de för föremål som människor kan se. Apparater i molekylär skala måste kämpa sig igenom en konstant störtflod av molekyler. Dessa krafter kan få så små enheter att driva slumpmässigt som pollenkorn som flyter på ytan av en flod, ett fenomen som kallas Brownsk rörelse.

Viskositeten hos vätskor har också en mycket större inverkan på något så litet som en molekyl, så vatten blir mer som melass.

Många tidigare DNA-motorer "går" med en mekanisk ben-över-ben-rörelse. Problemet är att tvåbensversioner tenderar att vara i sig instabila. Gångmotorer med fler än två ben får stabilitet men de extra benen saktar ner dem.

Emory-forskarna löste dessa problem genom att designa en stavformad DNA-motor som rullar. staven, eller "chassi" av motorn består av 16 DNA-strängar bundna tillsammans i en fyra gånger fyra stack för att bilda en stråle med fyra plana sidor. Trettiosex bitar av DNA sticker ut från varje sida av staven, som små fötter.

För att underblåsa dess rörelse, motorn är placerad på ett spår av RNA, en nukleinsyra med baspar som är komplementära till DNA-baspar. RNA:t drar i DNA-fötterna på motorns ena sida och binder dem till spåret. Ett enzym som bara riktar sig mot RNA som är bundet till DNA förstör sedan snabbt det bundna RNA:t. Det får motorn att rulla, när DNA-fötterna på nästa sida av motorn dras framåt av sin attraktion till RNA.

Den rullande DNA-motorn skapar en ihållande väg, så den fortsätter att röra sig i en rak linje, i motsats till den mer slumpmässiga rörelsen hos gående DNA-motorer. Den rullande rörelsen bidrar också till den nya DNA-motorns hastighet:Den kan resa längs med en mänsklig stamcell inom två eller tre timmar. Tidigare DNA-motorer skulle behöva ungefär en dag för att klara samma sträcka, och de flesta saknar uthållighet för att komma så långt.

En av de största utmaningarna var att mäta motorns hastighet i nanoskala. Det problemet löstes genom att lägga till fluorescerande taggar på vardera änden av DNA-motorn och optimera avbildningsförhållandena på ett fluorescerande mikroskop.

Genom försök och misstag, forskarna fastställde att en styv stavform var optimal för att röra sig i en rak linje och att 36 fot på varje sida av motorn gav optimal densitet för hastighet.

"Vi tillhandahåller en avstämbar plattform för DNA-origamimotorer som andra forskare kan använda för att designa, testa och optimera motorer för att ytterligare utveckla fältet, " säger Bazrafshan. "Vårt system låter dig testa effekterna av alla typer av variabler, som chassiform och styvhet och antalet och tätheten av ben för att finjustera din design."

Till exempel, vilka variabler skulle ge upphov till en DNA-motor som rör sig i cirklar? Eller en motor som svänger för att gå runt barriärer? Eller en som vänder sig som svar på ett visst mål?

"Vi hoppas att andra forskare kommer med andra kreativa design baserat på dessa fynd, " säger Bazrafshan.