Ett internationellt team av forskare har nyligen utvecklat en ny typ av nanomotor gjord av DNA. Den drivs av en smart mekanism och kan utföra pulserande rörelser. Forskarna planerar nu att förse den med en koppling och installera den som en drivenhet i komplexa nanomaskiner. Deras resultat har publicerats i tidskriften Nature Nanotechnology .
Petr Šulc, biträdande professor vid Arizona State Universitys School of Molecular Sciences och Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics, har samarbetat med professor Famulok (projektledare) från University of Bonn, Tyskland och professor Walter från University of Michigan om detta. projekt.
Šulc har använt sin grupps datormodelleringsverktyg för att få insikter i design och drift av denna bladfjädrande nanomotor. Strukturen består av nästan 14 000 nukleotider, som bildar de grundläggande strukturella enheterna av DNA.
"Att kunna simulera rörelse i en så stor nanostruktur skulle vara omöjligt utan oxDNA, datormodellen som vår grupp använder för design och design av DNA-nanostrukturer", förklarar Šulc. "Det är första gången som en kemiskt driven DNA-nanoteknikmotor har utvecklats framgångsrikt. Vi är mycket glada över att våra forskningsmetoder kan hjälpa till med att studera den, och ser fram emot att bygga ännu mer komplexa nanoenheter i framtiden."
Denna nya typ av motor liknar en styrketränare för handgrepp som stärker ditt grepp när den används regelbundet. Motorn är dock cirka en miljon gånger mindre. Två handtag är förbundna med en fjäder i en V-formad struktur.
I en styrketränare för handgrepp klämmer du ihop handtagen mot fjäderns motstånd. När du släpper greppet trycker fjädern tillbaka handtagen till sitt ursprungliga läge. "Vår motor använder en mycket liknande princip", säger professor Michael Famulok från Life and Medical Sciences (LIMES) Institute vid universitetet i Bonn. "Men handtagen trycks inte ihop utan dras snarare ihop."
Forskarna har återupprättat en mekanism utan vilken det inte skulle finnas några växter eller djur på jorden. Varje cell är utrustad med ett slags bibliotek. Den innehåller ritningarna för alla typer av proteiner som varje cell behöver för att utföra sin funktion. Om cellen vill producera en viss typ av protein beställer den en kopia från respektive ritning. Detta transkript produceras av enzymerna som kallas RNA-polymeraser.
Den ursprungliga ritningen består av långa DNA-strängar. RNA-polymeraserna rör sig längs dessa strängar och kopierar den lagrade informationen bokstav för bokstav.
"Vi tog ett RNA-polymeras och fäste det på ett av handtagen i vår nanomaskin", förklarar Famulok, som också är medlem i de tvärvetenskapliga forskningsområdena "Life &Health" och "Matter" vid universitetet i Bonn.
"I omedelbar närhet silade vi också en DNA-sträng mellan de två handtagen. Polymeraset tar tag i denna sträng för att kopiera den. Den drar sig själv längs strängen och den icke-transkriberade sektionen blir allt mindre. Detta drar det andra handtaget en bit av bit mot den första och tryck ihop fjädern samtidigt."
DNA-strängen mellan handtagen innehåller en viss sekvens av bokstäver strax innan dess slut. Denna så kallade termineringssekvens signalerar till polymeraset att det ska släppa DNA:t. Fjädern kan nu slappna av igen och flyttar isär handtagen. Detta bringar startsekvensen för strängen nära polymeraset och den molekylära kopiatorn kan starta en ny transkriptionsprocess:Cykeln upprepas sedan.
"På detta sätt utför vår nanomotor en pulserande handling", förklarar Mathias Centola från forskargruppen som leds av professor Famulok, som utförde en stor del av experimenten.
Denna motor behöver också energi precis som alla andra typer av motorer. Den tillhandahålls av "alfabetssoppan" från vilken polymeraset producerar transkripten. Var och en av dessa bokstäver (i teknisk terminologi:nukleotider) har en liten svans som består av tre fosfatgrupper – ett trifosfat.
För att bifoga en ny bokstav till en befintlig mening måste polymeraset ta bort två av dessa fosfatgrupper. Detta frigör energi som den kan använda för att länka samman bokstäverna. "Vår motor använder alltså nukleotidtrifosfater som bränsle", säger Famulok. "Den kan bara fortsätta att köras när ett tillräckligt antal av dem är tillgängliga."
Forskarna kunde visa att motorn lätt kan kombineras med andra strukturer. Detta bör göra det möjligt för den att till exempel vandra över en yta – liknande en tummask som drar sig längs en gren i sin egen karaktäristiska stil.
"Vi planerar också att tillverka en typ av koppling som gör att vi endast kan utnyttja motorns kraft vid vissa tidpunkter och i övrigt låta den stå på tomgång", förklarar Famulok. På lång sikt kan motorn bli hjärtat i en komplex nanomaskin. "Men det återstår fortfarande mycket arbete innan vi når detta stadium."
Šulcs labb är mycket tvärvetenskapligt och tillämpar brett metoderna för statistisk fysik och beräkningsmodellering på problem inom kemi, biologi och nanoteknik. Gruppen utvecklar nya flerskaliga modeller för att studera interaktioner mellan biomolekyler, särskilt i samband med design och simuleringar av DNA- och RNA-nanostrukturer och -enheter.
"Precis som komplexa maskiner i vår dagliga användning - flygplan, bilar och chips inom elektronik - kräver sofistikerade datorstödda designverktyg för att se till att de utför en önskad funktion, finns det ett trängande behov av att ha tillgång till sådana metoder inom molekylär vetenskap. "
Professor Tijana Rajh, chef för skolan för molekylära vetenskaper, sa:"Petr Šulc och hans grupp gör extremt innovativ molekylär vetenskap och använder metoderna för beräkningskemi och fysik för att studera DNA- och RNA-molekyler i samband med biologi såväl som nanoteknik. Våra yngre fakultetsmedlemmar vid School of Molecular Sciences har en enastående prestation, och professor Šulc är ett föredöme i detta avseende."
DNA och RNA är livets grundläggande molekyler. De fyller många funktioner, inklusive informationslagring och informationsöverföring i levande celler. De har också lovande tillämpningar inom nanoteknik där designade DNA- och RNA-strängar används för att montera strukturer och enheter i nanoskala.
Som Šulc förklarar, "Det är lite som att leka med legoklossar förutom att varje legokloss är bara några nanometer (en miljondels millimeter) i storlek, och istället för att placera varje block på den plats där det ska gå, lägg dem i en låda och skaka den slumpmässigt tills bara den önskade strukturen kommer ut."
Denna process kallas självmontering, och Šulc och hans kollegor använder datormodellering och designprogramvara för att komma fram till byggstenarna som på ett tillförlitligt sätt sätts ihop till den form man vill ha i nanoskalaupplösning.
"De lovande tillämpningarna för detta område inkluderar diagnostik, terapi, molekylär robotik och byggande av nya material", säger Šulc.
"Mitt labb har utvecklat mjukvaran för att designa dessa block, och vi arbetar nära med experimentgrupper på ASU såväl som andra universitet i USA och Europa. Det är spännande att se våra metoder som används för att designa och karakterisera nanostrukturer med ökande komplexitet, eftersom fältet går framåt och vi uppnår nya avancerade konstruktioner och använder dem framgångsrikt i nanoskala."
Mer information: En rytmiskt pulserande bladfjädrande DNA-origami nanomotor som driver en passiv följare, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01516-x. www.nature.com/articles/s41565-023-01516-x
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Arizona State University
