Nano-walkers tager et hurtigt spring fremad med den første rullende DNA-baserede motor

Fysiske kemikere har udtænkt en rullende DNA-baseret motor, der er 1, 000 gange hurtigere end nogen anden syntetisk DNA-motor, giver det potentiale til applikationer i den virkelige verden, såsom sygdomsdiagnostik. Natur nanoteknologi offentliggør resultatet.

"I modsætning til andre syntetiske DNA-baserede motorer, som bruger ben til at 'gå' som små robotter, vores er den første rullende DNA-motor, gør det langt hurtigere og mere robust, " siger Khalid Salaita, Emory University-kemikeren, der ledede forskningen. "Det er ligesom den biologiske ækvivalent til opfindelsen af ​​hjulet for området DNA-maskiner."

Hastigheden af ​​den nye DNA-baserede motor, som er drevet af ribonuklease H, betyder, at et simpelt smart telefonmikroskop kan fange dens bevægelse gennem video. Forskerne har indgivet et patent afsløring af opfindelsen for konceptet med at bruge partikelbevægelsen af ​​deres rullende molekylære motor som en sensor for alt fra en enkelt DNA-mutation i en biologisk prøve til tungmetaller i vand.

"Vores metode tilbyder en måde at gøre lave omkostninger på, lavteknologisk diagnostik i indstillinger med begrænsede ressourcer, " siger Salaita.

Området for syntetiske DNA-baserede motorer, også kendt som nano-walkers, er omkring 15 år gammel. Forskere stræber efter at kopiere handlingen fra naturens nano-vandrere. Myosin, for eksempel, er bittesmå biologiske mekanismer, der "går" på filamenter for at transportere næringsstoffer gennem hele menneskekroppen.

"Det er det ultimative inden for science fiction, "Salaita siger om søgen efter at skabe små robotter, eller nano-bots, der kunne programmeres til at udføre dit bud. "Folk har drømt om at sende nano-bots til at levere stoffer eller for at reparere problemer i den menneskelige krop."

Indtil nu, imidlertid, menneskehedens indsats er langt fra naturens myosin, som uden besvær suser rundt i sine biologiske ærinder. "Myosins evne til at omdanne kemisk energi til mekanisk energi er forbløffende, " siger Salaita. "De er de mest effektive motorer, vi kender til i dag."

Nogle syntetiske nano-walkers bevæger sig på to ben. De er hovedsageligt enzymer lavet af DNA, drevet af katalysator RNA. Disse nano-walkers har tendens til at være ekstremt ustabile, på grund af de høje niveauer af Brownsk bevægelse på nano-skalaen. Andre versioner med fire, og endda seks, benene har vist sig mere stabile, men meget langsommere. Faktisk, deres tempo er istid:En firbenet DNA-baseret motor ville bruge omkring 20 år for at bevæge sig en centimeter.

Kevin Yehl, en post-doc stipendiat i Salaita-laboratoriet, havde ideen om at konstruere en DNA-baseret motor ved hjælp af en glaskugle i mikronstørrelse. Hundredvis af DNA-strenge, eller "ben, " får lov til at binde til kuglen. Disse DNA-ben placeres på et objektglas belagt med reaktanten:RNA.

DNA-benene trækkes til RNA'et, men så snart de sætter deres fod på det, ødelægger de det gennem aktiviteten af ​​et enzym kaldet RNase H. Når benene binder og derefter frigives fra substratet, de leder sfæren langs, lader flere af DNA-benene blive ved med at binde og trække.

"Det kaldes en brændt bro-mekanisme, " Salaita forklarer. "Hvor end DNA-benene træder, de tramper og ødelægger reaktanten. De er nødt til at blive ved med at bevæge sig og træde, hvor de ikke er trådt, for at finde mere reaktant."

Kombinationen af ​​den rullende bevægelse, og hastigheden af ​​RNase H-enzymet på et substrat, giver den nye DNA-motor sin stabilitet og hastighed.

"Vores DNA-baserede motor kan rejse en centimeter på syv dage, i stedet for 20 år, gør det til 1, 000 gange hurtigere end de ældre versioner, " siger Salaita. "Faktisk, naturens myosinmotorer er kun 10 gange hurtigere end vores, og det tog dem milliarder af år at udvikle sig."

Forskerne viste, at deres rullende motorer kan bruges til at detektere en enkelt DNA-mutation ved at måle partikelforskydning. De limede simpelthen linser fra to billige laserpointere til kameraet på en smartphone for at forvandle telefonen til et mikroskop og optage videoer af partikelbevægelsen.

"Ved at bruge en smartphone, vi kan få en udlæsning for alt, der forstyrrer enzym-substrat-reaktionen, fordi det vil ændre hastigheden af ​​partiklen, " siger Salaita. "For eksempel, vi kan påvise en enkelt mutation i en DNA-streng."

Denne enkle, lavteknologisk metode kunne være nyttig til at udføre diagnostisk registrering af biologiske prøver i marken, eller hvor som helst med begrænsede ressourcer.

Beviset for at motorerne ruller kom ved et uheld, tilføjer Salaita. Under deres eksperimenter, to af glaskuglerne blev af og til klistret sammen, eller dimeriseret. I stedet for at lave en vandresti, de efterlod et par lige, parallelle spor på tværs af underlaget, som en plæneklipper der slår græs.

"Det er det første eksempel på en syntetisk molekylær motor, der går i en lige linje uden et spor eller et magnetfelt til at styre den, " siger Salaita.

Ud over Salaita og Yehl, medforfatterne på Natur nanoteknologi papir inkluderer Emory-forskere Skanda Vivek, Yang Liu, Yun Zhang, Erik uger, Andrew Mugler (som nu er på Purdue University) og Mengzhen Fan (Oxford University).