DNA“折紙”的里程碑——人造分子馬達(dá)

來源：生物通作者：人氣：-發(fā)表時(shí)間：2022-07-22 09:39:00【大中小】

摘要：自從這項(xiàng)技術(shù)在2006年首次被展示以來，研究人員已經(jīng)構(gòu)建了越來越復(fù)雜的DNA "折紙"。布朗運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)裝置可以為更先進(jìn)的納米級(jí)機(jī)器鋪平道路。

物理學(xué)家已經(jīng)完全用DNA鏈建造了一個(gè)分子尺度的馬達(dá)，并通過纏繞DNA“彈簧”來存儲(chǔ)能量。

德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)的生物物理學(xué)家Hendrik Dietz說，這不是第一個(gè)DNA納米馬達(dá)，但它“肯定是第一個(gè)真正執(zhí)行可測(cè)量機(jī)械工作的”，他的團(tuán)隊(duì)在7月20日的《Nature》雜志上報(bào)告了這一結(jié)果。這項(xiàng)技術(shù)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(gòu)建結(jié)構(gòu)。該方法旨在尋找在化學(xué)合成和藥物傳遞等領(lǐng)域的應(yīng)用。

活細(xì)胞充滿了分子機(jī)器——包括旋轉(zhuǎn)馬達(dá);它們執(zhí)行一系列任務(wù)，從擺動(dòng)細(xì)菌的鞭毛到產(chǎn)生構(gòu)成細(xì)胞能量?jī)?chǔ)備的ATP分子。這些電機(jī)通常采用棘輪機(jī)制，類似于發(fā)條裝置中的齒輪，允許向一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)，但不能向另一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

就像細(xì)胞里的其他東西一樣，生物機(jī)器也因?yàn)椴祭蔬\(yùn)動(dòng)而不斷地受到?jīng)_擊——布朗運(yùn)動(dòng)是指細(xì)胞質(zhì)里的分子和其他粒子不斷地、隨機(jī)地運(yùn)動(dòng)。通常，當(dāng)粒子碰撞在一起時(shí)，它們可以相互傳遞一種能量。

圖片:這些馬達(dá)是由排成三角形平臺(tái)的DNA鏈組成的，這些平臺(tái)連接在一個(gè)長(zhǎng)長(zhǎng)的旋轉(zhuǎn)臂上。

Dietz和他的同事們希望用DNA設(shè)計(jì)出一種馬達(dá)，這種馬達(dá)可以通過布朗運(yùn)動(dòng)來驅(qū)動(dòng)，就像在細(xì)胞中發(fā)現(xiàn)的基于蛋白質(zhì)的機(jī)器一樣。在他們使用的DNA折紙技術(shù)中，噬菌體病毒單鏈DNA環(huán)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(diǎn)的堿基序列。短的碎片與長(zhǎng)鏈結(jié)合，迫使它們折疊成所需的形狀。自從這項(xiàng)技術(shù)在2006年首次被展示以來，研究人員已經(jīng)構(gòu)建了越來越復(fù)雜的DNA "折紙"。

Dietz和他的團(tuán)隊(duì)用DNA建造了三角形平臺(tái)，每個(gè)平臺(tái)中間都有一根桿子伸出來。他們將這些結(jié)構(gòu)粘在玻璃表面，并添加了長(zhǎng)長(zhǎng)的DNA臂，這些臂附著在平臺(tái)上，使它們能夠繞著桿子旋轉(zhuǎn)。

為了制造棘輪效應(yīng)，研究人員設(shè)計(jì)了帶有凸起的平臺(tái)，使旋轉(zhuǎn)更加困難。只有布朗運(yùn)動(dòng)提供的踢腿才能使手臂克服顛簸并旋轉(zhuǎn)，通常只旋轉(zhuǎn)半圈。

圖2 馬達(dá)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)設(shè)置（來源：Nature）

在沒有任何進(jìn)一步干預(yù)的情況下，旋轉(zhuǎn)將隨機(jī)來回。因此，該團(tuán)隊(duì)還將兩個(gè)電極浸入溶液中，并在交替方向上運(yùn)行電流。電壓的變化改變了長(zhǎng)DNA臂所經(jīng)歷的能量格局，并通過一種被稱為閃爍布朗棘輪的機(jī)制使其向一個(gè)更有利的方向旋轉(zhuǎn)。

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

圖3 DNA折紙馬達(dá)的結(jié)構(gòu)分析（來源：Nature）

就像上了發(fā)條的手表

就其本身而言，納米級(jí)的馬達(dá)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(dòng)，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(jìn)一步:他們將另一串DNA連接到轉(zhuǎn)子上，讓它像機(jī)械表中用來轉(zhuǎn)動(dòng)齒輪的螺旋彈簧一樣旋轉(zhuǎn)。Dietz說，這種機(jī)制可以幫助納米機(jī)器儲(chǔ)存能量或拉動(dòng)其他機(jī)械部件。

英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的化學(xué)家大衛(wèi)·利(David Leigh)說:“這是該團(tuán)隊(duì)的一個(gè)了不起的成就，首先，他們能夠設(shè)計(jì)出一個(gè)系統(tǒng)，通過DNA折紙折疊成如此復(fù)雜和功能齊全的結(jié)構(gòu)，其次，他們能夠如此徹底地描述其動(dòng)力學(xué)特征。”最近，Leigh和他的團(tuán)隊(duì)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(zhuǎn)馬達(dá)，它可以圍繞單個(gè)分子鍵旋轉(zhuǎn)。

參考資料：

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