Автор: AZoNano 4 марта 2020 года 4 марта 2020 года

Исследователи разработали самый быстрый и устойчивый в мире ДНК-наномотор, используя технику, называемую ДНК-оригами.

Результаты, опубликованные в Angewandte Chemie дают общее представление о способах улучшения конструкции нано двигателей в нанометровом масштабе, что во много раз меньше, чем у обычного человека клеток.

Наноразмерные двигатели обладают огромным потенциалом для применения в биосенсировании, создании синтетических клеток, а также для молекулярной робототехники. ДНК-оригами позволила нам переделать структуру двигателя и выявить конструктивные параметры, которые контролируют его свойства .

Халид Салаита, старший автор исследования и профессор химического факультета Университета Эмори

Используя РНК-топливо, новый электродвигатель ДНК в форме стержня постоянно вращается по прямой линии со скоростью до 100 нм в минуту и ​​без какого-либо вмешательства человека, то есть до 10 раз быстрее, чем скорость ранее ДНК нано моторы.

Салаита работает на факультете биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера, который является совместной программой Университета Эмори и Технологического института Джорджии. Исследование является совместной работой лаборатории Салайты и Йонгганга Ке, доцента медицинского факультета Университета Эмори и кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Култера

.

Наш инженерный ДНК-мотор работает быстро, но нам еще предстоит пройти долгий путь для достижения универсальности и эффективности биологических моторов природы. В конечном счете, цель состоит в том, чтобы создать искусственные двигатели, которые соответствуют сложности и функциональности белков, которые перемещают груз в клетках и позволяют им выполнять различные функции .

Юнганг Ке, доцент Медицинской школы и факультет биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера, Университет Эмори

Создание вещей из ДНК, получившее название ДНК-оригами после традиционного японского раскладывания бумаги, использует естественное сродство оснований ДНК, таких как A, G, C и T, для соединения друг с другом.

Перемещение по последовательности букв на нитях ДНК может позволить ученым объединить эти нити ДНК так, чтобы они создавали различные формы. Также возможно отрегулировать жесткость ДНК-оригами, что позволяет ему сгибаться и сворачиваться подобно вареным спагетти или оставаться прямыми как кусок сухих спагетти.

Увеличение вычислительной мощности и применение самосборки ДНК для сектора геномики значительно улучшило область ДНК-оригами в последние годы. Двигатели ДНК потенциально могут быть использованы в качестве нанокомпьютеров, устройств доставки лекарств в форме нанокапсул, которые открываются при достижении интересующего места, и нанороботов, работающих на сборочных линиях в наноразмерном масштабе.

Эти приложения могут показаться научной фантастикой, но наша работа помогает приблизить их к реальности .

Алисина Базрафшан, первый автор исследования и кандидат наук, Университет Эмори

Одной из основных трудностей моторов ДНК является то, что правила, управляющие движением в наномасштабе, отличаются от правил для объектов, воспринимаемых людьми. Фактически, устройства молекулярного масштаба должны быть в состоянии найти свой путь через устойчивый поток молекул. Подобные силы могут заставить эти микроскопические устройства произвольно дрейфовать, подобно пыльцевым зернам, которые плавают на поверхности реки, явление, называемое броуновским движением.

Вязкость жидкостей также оказывает относительно большее влияние на что-то столь же маленькое, как молекула, и, следовательно, вода превращается в патоку.

Известно, что несколько предыдущих моторов ДНК «ходили» с механическим движением нога-нога. Но проблема в том, что двуногие версии склонны быть изначально нестабильными. В то время как шагающие двигатели с более чем двумя ногами достигают устойчивости, дополнительные ноги, как правило, замедляют их.

Чтобы решить эти проблемы, исследователи из Университета Эмори создали ДНК-мотор в форме стержня, который постоянно вращается. «Шасси» или стержень двигателя содержит 16 нитей ДНК, соединенных вместе в стек по четыре на четыре, чтобы создать стержень с четырьмя плоскими сторонами, подобный деревянной спичке. С каждой стороны стержня 36 кусочков ДНК торчат, как крошечные ножки.

Для питания двигателя он расположен на дорожке RNA. РНК представляет собой нуклеиновую кислоту, содержащую пары оснований, которые дополняют пары оснований ДНК. Потянув за ножки ДНК на одной стороне двигателя, РНК соединяет их с дорожкой. Затем специфический РНК-нацеливающий фермент, который связан с ДНК, быстро разрушает связанную РНК. Этот механизм заставляет двигатель постоянно вращаться, так как ножки ДНК на последующей поверхности двигателя вытягиваются в прямом направлении благодаря их сродству к РНК.

Затем вращающийся двигатель ДНК создает постоянный путь, и это заставляет его двигаться по прямой линии по сравнению с более случайным движением движущихся двигателей ДНК.

Кроме того, вращательное движение добавляет новую скорость двигателя ДНК; он может перемещаться по длине человеческой стволовой клетки менее чем за два-три часа. Моторы ДНК, разработанные в прошлом, требовали приблизительно одного дня, чтобы преодолеть такое же расстояние, и у большинства из них нет настойчивости сделать это так далеко.

Одной из основных трудностей было измерение скорости двигателя в нанометровом масштабе. Но эта проблема была решена путем введения флуоресцентных меток на обоих концах ДНК-мотора и улучшения условий визуализации на флуоресцентном микроскопе.

Методом проб и ошибок команда установила, что форма жесткого стержня, которая предлагает лучшее решение для движения по прямой линии, и что 36 футов на лице каждого двигателя обеспечивают оптимальную плотность для скорости.

« Мы предоставили настраиваемую платформу для двигателей ДНК-оригами, которую другие исследователи могут использовать для проектирования, тестирования и оптимизации двигателей для дальнейшего развития отрасли », – добавил Базрафшан. « Наша система позволяет вам тестировать эффекты всех видов переменных, таких как форма и жесткость шасси, а также количество и плотность опор, для точной настройки вашего дизайна ».

Например, какие переменные приведут к двигателю ДНК, который движется по кругу? Или двигатель, который поворачивается, чтобы преодолеть препятствия? Или двигатель, который вращается в ответ на конкретную цель?

« Мы надеемся, что другие исследователи придумают другие творческие замыслы, основанные на этих результатах », – заключил Базрафшан.

Соавторами исследования являются Трэвис Мейер, Ханьцюань Су, Сельма Пиранедж и Юйсинь Дуань (все они являются аспирантами Университета Эмори); и Джошуа Брокман и Аарон Бланшар (аспиранты кафедры биомедицинской инженерии Уоллеса Х. Коултера, штат Джорджия, штат Техас и Эмори).

Исследование финансировалось Национальным научным фондом и Национальными институтами здравоохранения.

Посмотрите видео о новом двигателе ДНК-оригами. Видео Предоставлено: Университет Эмори.

Источник: http://www.emory.edu/