Internationalt team udvikler en ny DNA-nanomotor

Et internationalt hold af videnskabsmænd har for nylig udviklet en ny type nanomotor lavet af DNA. Den drives af en smart mekanisme og kan udføre pulserende bevægelser. Forskerne planlægger nu at forsyne den med en kobling og installere den som et drev i komplekse nanomaskiner. Deres resultater er blevet offentliggjort i tidsskriftet Nature Nanotechnology .

Petr Šulc, assisterende professor ved Arizona State University's School of Molecular Sciences og Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics, har samarbejdet med professor Famulok (projektleder) fra University of Bonn, Tyskland og professor Walter fra University of Michigan om dette. projekt.

Šulc har brugt sin gruppes computermodelleringsværktøjer til at få indsigt i design og drift af denne bladfjedrede nanomotor. Strukturen består af næsten 14.000 nukleotider, som danner de grundlæggende strukturelle enheder af DNA.

"At være i stand til at simulere bevægelse i så stor en nanostruktur ville være umuligt uden oxDNA, den computermodel, som vores gruppe bruger til design og design af DNA-nanostrukturer," forklarer Šulc. "Det er første gang, at en kemisk drevet DNA-nanoteknologimotor er blevet konstrueret med succes. Vi er meget begejstrede for, at vores forskningsmetoder kan hjælpe med at studere den, og ser frem til at bygge endnu mere komplekse nanoenheder i fremtiden."

Denne nye type motor ligner en styrketræner for håndgreb, der styrker dit greb, når den bruges regelmæssigt. Motoren er dog omkring en million gange mindre. To håndtag er forbundet med en fjeder i en V-formet struktur.

I en håndgrebsstyrketræner klemmer du håndtagene sammen mod fjederens modstand. Når du slipper dit greb, skubber fjederen håndtagene tilbage til deres oprindelige position. "Vores motor bruger et meget lignende princip," siger professor Michael Famulok fra Life and Medical Sciences (LIMES) Institute ved universitetet i Bonn. "Men håndtagene er ikke presset sammen, men snarere trukket sammen."

Forskerne har genbrugt en mekanisme, uden hvilken der ikke ville være nogen planter eller dyr på Jorden. Hver celle er udstyret med en slags bibliotek. Den indeholder tegningerne for alle typer proteiner, som hver celle har brug for for at udføre sin funktion. Hvis cellen ønsker at producere en bestemt type protein, bestiller den en kopi fra den respektive plan. Dette transkript produceres af enzymerne kaldet RNA-polymeraser.

RNA-polymeraser driver de pulserende bevægelser

Den originale plan består af lange DNA-strenge. RNA-polymeraserne bevæger sig langs disse strenge og kopierer den lagrede information bogstav for bogstav.

"Vi tog en RNA-polymerase og fastgjorde den til et af håndtagene i vores nanomaskine," forklarer Famulok, som også er medlem af de tværfaglige forskningsområder "Life &Health" og "Matter" ved universitetet i Bonn.

"I umiddelbar nærhed spændte vi også en DNA-streng mellem de to håndtag. Polymerasen griber fat i denne streng for at kopiere den. Den trækker sig selv langs strengen, og den ikke-transskriberede sektion bliver stadig mindre. Dette trækker det andet håndtag en smule vha. bid mod den første og komprimer fjederen på samme tid."

DNA-strengen mellem håndtagene indeholder en bestemt sekvens af bogstaver kort før dens afslutning. Denne såkaldte termineringssekvens signalerer til polymerasen, at den skal give slip på DNA'et. Fjederen kan nu slappe af igen og flytter håndtagene fra hinanden. Dette bringer startsekvensen af ​​strengen tæt på polymerasen, og den molekylære kopimaskine kan starte en ny transkriptionsproces:Cyklussen gentages derefter.

"På denne måde udfører vores nanomotor en pulserende handling," forklarer Mathias Centola fra forskergruppen ledet af professor Famulok, som udførte en stor del af eksperimenterne.

En alfabetsuppe tjener som brændstof

Denne motor har også brug for energi ligesom enhver anden type motor. Det leveres af "alfabetsuppen", hvorfra polymerasen producerer transkripterne. Hvert eneste af disse bogstaver (i teknisk terminologi:nukleotider) har en lille hale bestående af tre fosfatgrupper - et trifosfat.

For at knytte et nyt bogstav til en eksisterende sætning, skal polymerasen fjerne to af disse fosfatgrupper. Dette frigiver energi, som det kan bruge til at forbinde bogstaverne sammen. "Vores motor bruger således nukleotidtrifosfater som brændstof," siger Famulok. "Den kan kun fortsætte med at køre, når et tilstrækkeligt antal af dem er tilgængelige."

Forskerne var i stand til at påvise, at motoren let kan kombineres med andre strukturer. Dette skulle gøre det muligt for den for eksempel at vandre hen over en overflade - svarende til en tommeorm, der trækker sig langs en gren i sin egen karakteristiske stil.

"Vi planlægger også at producere en type kobling, som vil tillade os kun at udnytte motorens kraft på bestemte tidspunkter og ellers lade den stå i tomgang," forklarer Famulok. På lang sigt kan motoren blive hjertet i en kompleks nanomaskine. "Der er dog stadig meget arbejde, der skal gøres, før vi når dette stadie."

Šulcs laboratorium er meget tværfagligt og anvender bredt metoderne for statistisk fysik og beregningsmodellering til problemer inden for kemi, biologi og nanoteknologi. Gruppen udvikler nye multiskalamodeller til at studere interaktioner mellem biomolekyler, især i forbindelse med design og simuleringer af DNA- og RNA-nanostrukturer og -enheder.

"Ligesom komplekse maskiner i vores daglige brug - fly, biler og chips i elektronik - kræver sofistikerede computerstøttede designværktøjer for at sikre, at de udfører en ønsket funktion, er der et presserende behov for at have adgang til sådanne metoder i molekylærvidenskaberne. "

Professor Tijana Rajh, direktør for School of Molecular Sciences, sagde:"Petr Šulc og hans gruppe laver ekstremt innovativ molekylær videnskab ved at bruge metoderne inden for beregningskemi og fysik til at studere DNA- og RNA-molekyler i forbindelse med biologi såvel som nanoteknologi. Vores yngre fakultetsmedlemmer på School of Molecular Sciences har en ekstraordinær præstation, og professor Šulc er et eksemplar i denne henseende."

Bio-nanoteknologi

DNA og RNA er livets grundlæggende molekyler. De opfylder mange funktioner, herunder informationslagring og informationsoverførsel i levende celler. De har også lovende anvendelser inden for nanoteknologi, hvor designede DNA- og RNA-strenge bruges til at samle strukturer og enheder i nanoskala.

Som Šulc forklarer, "Det er lidt ligesom at lege med legoklodser, bortset fra at hver legoklods kun er nogle få nanometer (en milliontedel af en millimeter) i størrelse, og i stedet for at sætte hver blok på det sted, hvor den skal gå, læg dem i en kasse og ryst den tilfældigt, indtil kun den ønskede struktur kommer ud."

Denne proces kaldes selvmontering, og Šulc og hans kolleger bruger computermodellerings- og designsoftware til at finde de byggeklodser, der pålideligt samles til den form, man ønsker, ved opløsning i nanoskala.

"De lovende anvendelser af dette felt omfatter diagnostik, terapi, molekylær robotteknologi og bygning af nye materialer," siger Šulc.

"Mit laboratorium har udviklet softwaren til at designe disse blokke, og vi arbejder tæt sammen med eksperimentelle grupper på ASU samt andre universiteter i USA og Europa. Det er spændende at se vores metoder brugt til at designe og karakterisere nanostrukturer af stigende kompleksitet, da feltet udvikler sig, og vi opnår nye avancerede designs og driver dem med succes på nanoskala."

Flere oplysninger: En rytmisk pulserende bladfjeder DNA-origami nanomotor, der driver en passiv følger, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01516-x. www.nature.com/articles/s41565-023-01516-x

Journaloplysninger: Naturenanoteknologi

Leveret af Arizona State University