Autonome nanomaskiner inspireret af naturen

Inspireret af den måde, molekyler interagerer på i naturen, konstruerer medicinske forskere fra UNSW alsidige nanoskalamaskiner for at muliggøre større funktionel rækkevidde.

For at modstå de udfordrende forhold i levende organismer, skal molekylære maskiner være holdbart konstrueret til kontinuerlig drift over lange perioder. Samtidig skal de tilpasse sig forskellige behov og til deres skiftende miljø ved hurtigt at udskifte molekylære komponenter for at omkonfigurere maskineriet.

Et team, ledet af A/Prof. Lawrence Lee fra UNSW Medicine &Health's EMBL Australia Node in Single Molecule Science, rapporterer, hvordan de designede og byggede hurtige udvekslingsmolekylære maskiner med stabilitet i tidsskriftet ACS Nano .

"Vi vedtog en syntetisk biologi tilgang til dette problem ved at konstruere en kunstig nanoskopisk maskine ved hjælp af DNA- og proteinkomponenter. At kunne udveksle underenheder øger funktionaliteten, ligesom vi observerer i biologi," sagde A/Prof. Lee, en UNSW School of Medical Sciences og ARC Center of Excellence in Synthetic Biology forsker.

Han og hans team konstruerede molekylære maskiner ved at folde DNA-strenge til tredimensionelle former, en teknik kaldet DNA-origami. De viste, at deres DNA-nanomaskiner kunne bære både DNA- og proteinlast og generelt ville være kompatible med andre biomolekyler og nanopartikler. Lasten binder flere steder til DNA-receptoren og kan fortrænges af ny last via en kompetitiv bindingsproces, når anden last er til stede i opløsning.

Et eksempel på en af ​​naturens maskiner, der legemliggør paradokset med stabilitet og hurtig udveksling, er en cellulær maskine, der laver kopier af DNA - DNA-replisomet. Den konkurrerende udvekslingsmekanisme, der blev brugt af replisomet til samtidig at opnå disse modsatrettede egenskaber, blev foreslået i en tidligere publikation i Nucleic Acid Research fra teamet af prof. Antoine van Oijen fra University of Woollongong, som også er medforfatter til det aktuelle studie.

A/Prof. Lee og hans team har nu bragt denne teori ud i livet ved hjælp af DNA-nanoteknologi og proteinteknologi. "Det er det første syntetiske system, der har brugt dette såkaldte "multi-site konkurrenceudveksling"-princip," sagde han.

Andre mekanismer er blevet rapporteret, der giver de dobbelte egenskaber robusthed og hurtig udveksling, men indtil nu har denne dikotomi ikke været mulig med andre biomolekyler.

"Indtil videre er alle molekylære maskiner syntetiseret ved hjælp af DNA-nanoteknologi aktiveret af udvekslingen af ​​en DNA-streng, men kun at udveksle DNA er en smule begrænsende. Vores resultater udvider den funktionelle kompleksitet, der er tilgængelig for DNA-nanoteknologi," sagde A/Prof. Lee.

Han mener, at der er masser af viden i naturen for nanoteknologiske forskere at udnytte. "Hurtig udveksling og opretholdelse af høj stabilitet ser ud til at være to uforenelige tilstande, men alligevel er der så mange af naturens nanoskalamaskiner, der opfører sig på denne måde."

Området for DNA-nanoteknologi er stadig i sin vorden. Selvom der er mange flere designudfordringer at overvinde for forskere at kunne realisere det fulde potentiale af molekylære maskiner, er kapaciteten til at skabe maskiner, der kan handle autonomt og tilpasse sig ændringer i miljøet ved at erstatte forskellige biomolekyler, dette er et stort skridt i retning af en række applikationer, fra opbygning af responsive smarte materialer til målretning af levering af terapeutiske lægemidler til syge celler og meget mere. + Udforsk yderligere

Hvordan kemikere bygger molekylære samlebånd