Inspirerade av hur molekyler interagerar i naturen, konstruerar medicinska forskare från UNSW mångsidiga maskiner i nanoskala för att möjliggöra större funktionell räckvidd.

För att klara de utmanande förhållandena inom levande organismer måste molekylära maskiner vara hållbart konstruerade för kontinuerlig drift under långa perioder. Samtidigt måste de anpassa sig till olika behov och till sin föränderliga miljö genom att snabbt byta ut molekylära komponenter för att omkonfigurera maskineriet.

Ett team, ledd av A/Prof. Lawrence Lee från UNSW Medicine &Health's EMBL Australia Node in Single Molecule Science, rapporterar hur de designade och byggde snabba utbytesmolekylära maskiner med stabilitet i tidskriften ACS Nano .

"Vi antog ett syntetiskt biologiskt tillvägagångssätt för detta problem genom att konstruera en konstgjord nanoskopisk maskin med hjälp av DNA- och proteinkomponenter. Att kunna byta subenheter ökar funktionaliteten, precis som vi observerar inom biologi", säger A/Prof. Lee, en forskare vid UNSW School of Medical Sciences och ARC Center of Excellence in Synthetic Biology.

Han och hans team konstruerade molekylära maskiner genom att vika DNA-strängar till tredimensionella former, en teknik som kallas DNA-origami. De visade att deras DNA-nanomaskiner kunde bära både DNA- och proteinlast och i allmänhet skulle vara kompatibla med andra biomolekyler och nanopartiklar. Lasten binder på flera ställen till DNA-receptorn och kan ersättas av ny last via en konkurrerande bindningsprocess, när annan last är närvarande i lösning.

Ett exempel på en av naturens maskiner som förkroppsligar paradoxen med stabilitet och snabbt utbyte är en cellulär maskin som gör kopior av DNA – DNA-replisomen. Den konkurrensutbytesmekanism som används av replisomen för att samtidigt uppnå dessa motsatta egenskaper föreslogs i en tidigare publikation i Nucleic Acid Research från teamet av professor Antoine van Oijen från University of Woollongong, som också är medförfattare till den aktuella studien.

A/Prof. Lee och hans team har nu fört denna teori till liv med hjälp av DNA-nanoteknik och proteinteknik. "Det är det första syntetiska systemet som har använt den här så kallade principen om "konkurrerande utbyte på flera platser", sa han.

Andra mekanismer har rapporterats som ger de dubbla egenskaperna robusthet och snabbt utbyte, men hittills har denna dikotomi inte varit möjlig med andra biomolekyler.

"Än så länge aktiveras alla molekylära maskiner som syntetiserats med hjälp av DNA-nanoteknik av utbyte av en DNA-sträng, men att endast utbyta DNA är lite begränsande. Våra resultat utökar den funktionella komplexiteten som är tillgänglig för DNA-nanoteknik", säger A/Prof. Lee.

Han menar att det finns en mängd kunskap i naturen för nanoteknikforskare att ta vara på. "Snabbt utbyte och bibehållande av hög stabilitet verkar vara två inkompatibla tillstånd, ändå finns det så många av naturens nanoskalamaskiner som beter sig på detta sätt."

Området för DNA-nanoteknik är fortfarande i sin linda. Även om det finns många fler designutmaningar att övervinna för forskare att kunna realisera den fulla potentialen hos molekylära maskiner, är förmågan att skapa maskiner som kan agera autonomt och anpassa sig till förändringar i miljön genom att ersätta olika biomolekyler ett stort steg mot en utbud av applikationer, från att bygga lyhörda smarta material till att rikta leverans av terapeutiska läkemedel till sjuka celler och mycket mer. + Utforska vidare

Hur kemister bygger molekylära monteringslinjer