DNA“折紙”的里程碑——人造分子馬達

來源：生物通作者：人氣：-發表時間：2022-07-22 09:39:00【大中小】

摘要：自從這項技術在2006年首次被展示以來，研究人員已經構建了越來越復雜的DNA "折紙"。布朗運動驅動的旋轉裝置可以為更先進的納米級機器鋪平道路。

物理學家已經完全用DNA鏈建造了一個分子尺度的馬達，并通過纏繞DNA“彈簧”來存儲能量。

德國慕尼黑工業大學的生物物理學家Hendrik Dietz說，這不是第一個DNA納米馬達，但它“肯定是第一個真正執行可測量機械工作的”，他的團隊在7月20日的《Nature》雜志上報告了這一結果。這項技術增加了越來越多的“DNA折紙”技巧，這些技巧被用于在分子尺度上構建結構。該方法旨在尋找在化學合成和藥物傳遞等領域的應用。

活細胞充滿了分子機器——包括旋轉馬達;它們執行一系列任務，從擺動細菌的鞭毛到產生構成細胞能量儲備的ATP分子。這些電機通常采用棘輪機制，類似于發條裝置中的齒輪，允許向一個方向轉動，但不能向另一個方向轉動。

就像細胞里的其他東西一樣，生物機器也因為布朗運動而不斷地受到沖擊——布朗運動是指細胞質里的分子和其他粒子不斷地、隨機地運動。通常，當粒子碰撞在一起時，它們可以相互傳遞一種能量。

圖片:這些馬達是由排成三角形平臺的DNA鏈組成的，這些平臺連接在一個長長的旋轉臂上。

Dietz和他的同事們希望用DNA設計出一種馬達，這種馬達可以通過布朗運動來驅動，就像在細胞中發現的基于蛋白質的機器一樣。在他們使用的DNA折紙技術中，噬菌體病毒單鏈DNA環與合成DNA短鏈混合在一起;這些是用來匹配病毒基因組中特定位點的堿基序列。短的碎片與長鏈結合，迫使它們折疊成所需的形狀。自從這項技術在2006年首次被展示以來，研究人員已經構建了越來越復雜的DNA "折紙"。

Dietz和他的團隊用DNA建造了三角形平臺，每個平臺中間都有一根桿子伸出來。他們將這些結構粘在玻璃表面，并添加了長長的DNA臂，這些臂附著在平臺上，使它們能夠繞著桿子旋轉。

為了制造棘輪效應，研究人員設計了帶有凸起的平臺，使旋轉更加困難。只有布朗運動提供的踢腿才能使手臂克服顛簸并旋轉，通常只旋轉半圈。

圖2 馬達設計和實驗設置（來源：Nature）

在沒有任何進一步干預的情況下，旋轉將隨機來回。因此，該團隊還將兩個電極浸入溶液中，并在交替方向上運行電流。電壓的變化改變了長DNA臂所經歷的能量格局，并通過一種被稱為閃爍布朗棘輪的機制使其向一個更有利的方向旋轉。

這使得被動設備變成了真正的馬達:顯微鏡圖像顯示，在這些條件下，每只手臂——盡管隨機搖晃——平均保持在同一個方向上旋轉。(方向取決于三角形基座相對于電極的精確方向。)

圖3 DNA折紙馬達的結構分析（來源：Nature）

就像上了發條的手表

就其本身而言，納米級的馬達所做的只是克服周圍溶液的阻力。Dietz說:“這就像你游泳一樣:你向前移動，做了很多工作，但它在水中消散了。”但為了證明它也能做一些潛在的有用的工作，研究人員更進一步:他們將另一串DNA連接到轉子上，讓它像機械表中用來轉動齒輪的螺旋彈簧一樣旋轉。Dietz說，這種機制可以幫助納米機器儲存能量或拉動其他機械部件。

英國曼徹斯特大學的化學家大衛·利(David Leigh)說:“這是該團隊的一個了不起的成就，首先，他們能夠設計出一個系統，通過DNA折紙折疊成如此復雜和功能齊全的結構，其次，他們能夠如此徹底地描述其動力學特征。”最近，Leigh和他的團隊采用了一種截然不同的方法，在原子尺度上展示了一種旋轉馬達，它可以圍繞單個分子鍵旋轉。

參考資料：

[1] Respiratory mucosal immunity against SARS-CoV-2 following mRNA vaccination