DNA-origami går sammen med molekylære motorer for at bygge maskiner i nanoskala

Hvert år, robotter bliver mere og mere livagtige. Soldrevne bier flyver på smidige vinger, humanoider stikker baglæns, og hold af fodboldbots planlægger, hvordan man dribler, passere, og score. Og, jo flere forskere opdager, hvordan levende væsner bevæger sig, jo flere maskiner kan efterligne dem helt ned til deres mindste molekyler.

"Vi har allerede disse fantastiske maskiner i vores kroppe, og de fungerer så godt, " sagde Pallav Kosuri. "Vi ved bare ikke præcis, hvordan de fungerer."

I årtier, forskere har jagtet måder at studere, hvordan biologiske maskiner driver levende ting. Enhver mekanisk bevægelse – fra sammentrækning af en muskel til replikerende DNA – er afhængig af molekylære motorer, der tager små, næsten uopdagelige trin.

At prøve at se dem bevæge sig er som at prøve at se en fodboldkamp, ​​der finder sted på månen.

Nu, i en nylig undersøgelse offentliggjort i Natur , et team af forskere, herunder Xiaowei Zhuang, David B. Arnold professor i videnskab ved Harvard University og en Howard Hughes Medical Institute Investigator, og Zhuang Labs postdoktor Pallav Kosuri og Benjamin Altheimer, en ph.d. studerende på Graduate School of Arts and Sciences, fangede de første registrerede rotationstrin af en molekylær motor, da den bevægede sig fra et DNA-basepar til et andet.

I samarbejde med Peng Yin, en professor ved Wyss Institute og Harvard Medical School, og hans kandidatstuderende Mingjie Dai, holdet kombinerede DNA-origami med højpræcisionssporing af enkeltmolekyler, skabe en ny teknik kaldet ORBIT - origami-rotor-baseret billeddannelse og sporing - til at se på molekylære maskiner i bevægelse.

I vores kroppe, nogle molekylære motorer marcherer lige hen over muskelceller, får dem til at trække sig sammen. Andre reparerer, replikere eller transskribere DNA:Disse DNA-interagerende motorer kan gribe ind i en dobbeltstrenget helix og klatre fra den ene base til den næste, som at gå op ad en vindeltrappe.

For at se disse minimaskiner i bevægelse, holdet ønskede at drage fordel af den snoede bevægelse:For det første, de limede den DNA-interagerende motor til en stiv understøtning. Når først fastgjort, motoren skulle rotere helixen for at komme fra den ene base til den næste. Så, hvis de kunne måle, hvordan helixen roterede, de kunne bestemme, hvordan motoren bevægede sig.

Men der var stadig et problem:Hver gang en motor bevæger sig hen over et basepar, rotationen forskyder DNA'et med en brøkdel af en nanometer. Det skift er for lille til at løse med selv de mest avancerede lysmikroskoper.

To kuglepenne liggende i form af helikopterpropeller udløste en idé til at løse dette problem:En propel fastgjort til det roterende DNA ville bevæge sig med samme hastighed som helixen og, derfor, den molekylære motor. Hvis de kunne bygge en DNA-helikopter, lige stor nok til at tillade de svingende rotorblade at blive visualiseret, de kunne fange motorens undvigende bevægelse på kamera.

At bygge propeller på størrelse med molekyler, Kosuri, Altheimer og Zhuang besluttede at bruge DNA-origami. Bruges til at skabe kunst, levere medicin til celler, studere immunsystemet, og mere, DNA-origami involverer at manipulere strenge til at binde sig til smukke, komplicerede former uden for den traditionelle dobbelthelix.

"Hvis du har to komplementære DNA-strenge, de lyner op, " sagde Kosuri. "Det er det, de gør." Men, hvis en streng ændres til at komplementere en streng i en anden helix, de kan finde hinanden og lyne op i stedet, vævning af nye strukturer.

For at konstruere deres origami propeller, holdet henvendte sig til Peng Yin, en pioner inden for origami-teknologi. Med vejledning fra Yin og hans kandidatstuderende Dai, holdet vævede næsten 200 individuelle stykker DNA-stykker til en propellignende form på 160 nanometer i længden. Derefter, de fastgjorde propeller til en almindelig dobbelthelix og fodrede den anden ende til RecBCD, en molekylær motor, der udpakker DNA. Da motoren kom til at virke, det spinde DNA'et, vrider propellen som en proptrækker.

"Ingen havde set dette protein faktisk rotere DNA'et, fordi det bevæger sig superhurtigt, " sagde Kosuri.

Motoren kan bevæge sig over hundreder af baser på mindre end et sekund. Men, med deres origami-propeller og et højhastighedskamera, der kører med tusind billeder i sekundet, holdet kunne endelig registrere motorens hurtige rotationsbevægelser.

"Så mange kritiske processer i kroppen involverer interaktioner mellem proteiner og DNA, " sagde Altheimer. At forstå, hvordan disse proteiner virker - eller ikke virker - kunne hjælpe med at besvare fundamentale biologiske spørgsmål om menneskers sundhed og sygdom.

Holdet begyndte at udforske andre typer DNA-motorer. En, RNA polymerase, bevæger sig langs DNA for at læse og transskribere den genetiske kode til RNA. Inspireret af tidligere forskning, holdet teoretiserede, at denne motor kunne rotere DNA i 35-graders trin, svarende til vinklen mellem to tilstødende nukleotidbaser.

ORBIT viste dem ret:"For første gang, vi har været i stand til at se de enkelte baseparrotationer, der ligger til grund for DNA-transskription, " sagde Kosuri. Disse rotationstrin er, som forudsagt, omkring 35 grader.

Millioner af selvsamlende DNA-propeller kan passe ind i et enkelt objektglas, hvilket betyder, at holdet kan studere hundredvis eller endda tusindvis af dem på én gang, ved hjælp af kun et kamera, der er tilsluttet et mikroskop. Den vej, de kan sammenligne og kontrastere, hvordan individuelle motorer udfører deres arbejde.

"Der er ikke to enzymer, der er identiske, " sagde Kosuri. "Det er ligesom en zoologisk have."

Et motorprotein kan springe frem, mens et andet kortvarigt klatrer baglæns. Endnu en anden kan holde pause på én base i længere tid end nogen anden. Holdet ved endnu ikke præcis, hvorfor de flytter sig, som de gør. Bevæbnet med ORBIT, det kan de snart.

ORBIT kunne også inspirere til nye nanoteknologiske designs drevet af biologiske energikilder som ATP. "Det, vi har lavet, er en hybrid nanomaskine, der bruger både designede komponenter og naturlige biologiske motorer, " sagde Kosuri. En dag, sådan hybridteknologi kunne være det bogstavelige grundlag for biologisk inspirerede robotter.