Ny DNA-origami-motor slår hastighedsrekord for nanomaskiner

Gennem en teknik kendt som DNA origami, videnskabsmænd har skabt den hurtigste, mest vedvarende DNA-nanomotor endnu. Angewandte Chemie offentliggjort resultaterne, som giver en plan for, hvordan man optimerer design af motorer på nanoskala - hundredvis af gange mindre end den typiske menneskelige celle.

"Nanoskalamotorer har et enormt potentiale for anvendelser inden for biosensing, i bygning af syntetiske celler og også til molekylær robotteknologi, " siger Khalid Salaita, en senior forfatter af papiret og en professor i kemi ved Emory University. "DNA-origami gjorde det muligt for os at pille ved motorens struktur og drille designparametrene, der styrer dens egenskaber."

Den nye DNA-motor er stavformet og bruger RNA-brændstof til at rulle vedvarende i en lige linje, uden menneskelig indblanding, ved hastigheder op til 100 nanometer i minuttet. Det er op til 10 gange hurtigere end tidligere DNA-motorer.

Salaita er også på fakultetet ved Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, et fælles program for Georgia Institute of Technology og Emory. Papiret er et samarbejde mellem Salaita lab og Yonggang Ke, assisterende professor ved Emory's School of Medicine og Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering.

"Vores konstruerede DNA-motor er hurtig, "Ke siger, "men vi har stadig en lang vej at gå for at opnå alsidigheden og effektiviteten af ​​naturens biologiske motorer. I sidste ende, Målet er at lave kunstige motorer, der matcher sofistikeringen og funktionaliteten af ​​proteiner, der flytter last rundt i celler og giver dem mulighed for at udføre forskellige funktioner."

At lave ting ud af DNA, kaldet DNA origami efter det traditionelle japanske papirfoldehåndværk, udnytter den naturlige affinitet for DNA-baserne A, G, C og T for at parre sig med hinanden. Ved at bevæge sig rundt i rækkefølgen af ​​bogstaver på strengene, forskere kan få DNA-strengene til at binde sig sammen på måder, der skaber forskellige former. Stivheden af ​​DNA-origami kan også nemt justeres, så de forbliver lige som et stykke tør spaghetti eller bøjes og rulles som kogt spaghetti.

Voksende regnekraft, og brugen af ​​DNA-selvsamling til genomikindustrien, har i høj grad fremmet området for DNA-origami i de seneste årtier. Potentielle anvendelser for DNA-motorer omfatter lægemiddelleveringsanordninger i form af nanokapsler, der åbner sig, når de når et målsted, nanocomputere og nanorobotter, der arbejder på samlebånd i nanoskala.

"Disse applikationer kan virke som science fiction nu, men vores arbejde hjælper med at flytte dem tættere på virkeligheden, " siger Alisina Bazrafshan, en Emory Ph.D. kandidat og førsteforfatter til det nye papir.

En af de største udfordringer ved DNA-motorer er det faktum, at reglerne for bevægelse på nanoskala er anderledes end dem for genstande, som mennesker kan se. Enheder i molekylær skala skal kæmpe sig vej gennem en konstant byge af molekyler. Disse kræfter kan få så små enheder til at drive tilfældigt som pollenkorn, der flyder på overfladen af ​​en flod, et fænomen kendt som Brownsk bevægelse.

Viskositeten af ​​væsker har også en meget større indflydelse på noget så lille som et molekyle, så vand bliver mere som melasse.

Mange tidligere DNA-motorer "går" med en mekanisk ben-over-ben-bevægelse. Problemet er, at versioner med to ben har en tendens til at være ustabile i sagens natur. Gåmotorer med mere end to ben opnår stabilitet, men de ekstra ben bremser dem.

Emory-forskerne løste disse problemer ved at designe en stangformet DNA-motor, der ruller. stangen, eller "chassis" af motoren består af 16 DNA-strenge bundet sammen i en fire-by-fire stak for at danne en stråle med fire flade sider. Seksogtredive stykker DNA stikker ud fra hver side af stangen, som små fødder.

For at sætte skub i dens bevægelse, motoren er placeret på et spor af RNA, en nukleinsyre med basepar, der er komplementære til DNA-basepar. RNA'et trækker i DNA-fødderne på den ene side af motoren og binder dem til sporet. Et enzym, der kun retter sig mod RNA, der er bundet til DNA, ødelægger derefter hurtigt det bundne RNA. Det får motoren til at rulle, da DNA-fødderne på den næste side af motoren bliver trukket frem af deres tiltrækning til RNA.

Den rullende DNA-motor skaber en vedvarende vej, så det fortsætter med at bevæge sig i en lige linje, i modsætning til den mere tilfældige bevægelse af gående DNA-motorer. Den rullende bevægelse bidrager også til den nye DNA-motors hastighed:Den kan rejse i længden af ​​en menneskelig stamcelle inden for to eller tre timer. Tidligere DNA-motorer ville have brug for omkring en dag for at tilbagelægge den samme afstand, og de fleste mangler vedholdenheden til at nå så langt.

En af de største udfordringer var at måle motorens hastighed på nanoskala. Dette problem blev løst ved at tilføje fluorescerende tags på hver ende af DNA-motoren og optimere billeddannelsesforholdene på et fluorescerende mikroskop.

Gennem forsøg og fejl, forskerne fastslog, at en stiv stangform var optimal til at bevæge sig i en lige linje, og at 36 fod på hver side af motoren gav optimal tæthed for hastighed.

"Vi leverede en afstembar platform til DNA-origami-motorer, som andre forskere kan bruge til at designe, teste og optimere motorer for at fremme feltet yderligere, " siger Bazrafshan. "Vores system giver dig mulighed for at teste virkningerne af alle slags variabler, såsom chassisets form og stivhed og antallet og tætheden af ​​ben for at finjustere dit design."

For eksempel, hvilke variabler ville give anledning til en DNA-motor, der bevæger sig i cirkler? Eller en motor, der drejer for at gå rundt om barrierer? Eller en, der vender sig som reaktion på et bestemt mål?

"Vi håber, at andre forskere vil komme med andre kreative design baseret på disse resultater, " siger Bazrafshan.