Новый мотор ДНК-оригами побил рекорд скорости для наномашин: ученые открыли путь для «наноботов», которые в один прекрасный день смогут диагностировать и лечить болезни

«Наноразмерные двигатели обладают огромным потенциалом для применения в биосенсорных исследованиях, создании синтетических клеток, а также в молекулярной робототехнике», – говорит Халид Салаита, старший автор статьи и профессор химии в Университете Эмори. «ДНК-оригами позволило нам поработать со структурой двигателя и выявить конструктивные параметры, которые определяют его свойства.»
Новый двигатель ДНК имеет форму стержня и использует топливо РНК, чтобы упорно катиться по прямой линии без вмешательства человека со скоростью до 100 нанометров в минуту. Это до 10 раз быстрее, чем у предыдущих двигателей ДНК.
Салаита также учится на факультете Уоллеса Х. Колтер Департамент биомедицинской инженерии, совместная программа Технологического института Джорджии и Эмори.

Этот документ является результатом сотрудничества лаборатории Салаиты и Ёнгана Кэ, доцента Медицинской школы Эмори и Института Уоллеса Х. Колтер Департамент биомедицинской инженерии.
«Наш инженерный ДНК-мотор работает быстро, – говорит Ке, – но нам еще предстоит пройти долгий путь, чтобы добиться универсальности и эффективности биологических моторов природы.

В конечном итоге цель состоит в том, чтобы создать искусственные двигатели, которые соответствовали бы сложности и функциональности белков, которые перемещают грузы в клетках и позволяют им выполнять различные функции.»
Создание вещей из ДНК, получившее прозвище ДНК-оригами в честь традиционного японского ремесла складывания бумаги, использует естественное сродство оснований ДНК A, G, C и T для соединения друг с другом. Перемещая последовательность букв на нитях, исследователи могут заставить цепи ДНК связываться друг с другом таким образом, чтобы образовались разные формы.

Жесткость ДНК-оригами также можно легко отрегулировать, чтобы они оставались прямыми, как кусок сухих спагетти, или изгибались и свертывались, как вареные спагетти.

Растущие вычислительные мощности и использование самосборки ДНК в индустрии геномики значительно продвинули область ДНК-оригами за последние десятилетия. Возможные варианты использования моторов ДНК включают устройства доставки лекарств в форме нанокапсул, которые открываются, когда достигают целевого участка, нанокомпьютеры и нанороботы, работающие на сборочных линиях наноразмеров.
«Сейчас эти приложения могут показаться научной фантастикой, но наша работа помогает приблизить их к реальности», – говорит Алисина Базрафшан, кандидат наук в Эмори и первый автор новой статьи.

Одна из самых больших проблем, связанных с двигателями ДНК, заключается в том, что правила, управляющие движением в наномасштабе, отличаются от правил для объектов, которые люди могут видеть. Устройства молекулярного масштаба должны пробиваться сквозь постоянный поток молекул. Эти силы могут заставить такие крошечные устройства беспорядочно дрейфовать, как частицы пыльцы, плавающие на поверхности реки, – явление, известное как броуновское движение.

Вязкость жидкостей также оказывает гораздо большее влияние на такой крошечный объект, как молекула, поэтому вода становится больше похожей на патоку.
Многие предшествующие двигатели ДНК «ходят» с механическим движением ноги через ногу. Проблема в том, что двуногие версии по своей природе нестабильны. Двигатели с более чем двумя ногами обретают устойчивость, но дополнительные ноги замедляют их.

Исследователи Эмори решили эти проблемы, сконструировав стержневой двигатель ДНК, который вращается. Стержень, или «шасси» двигателя, состоит из 16 нитей ДНК, связанных вместе в стопку размером четыре на четыре, чтобы сформировать луч с четырьмя плоскими сторонами.

Тридцать шесть кусочков ДНК выступают с каждой стороны стержня, как маленькие ножки.
Чтобы подпитывать его движение, двигатель помещается на дорожку РНК, нуклеиновой кислоты с парами оснований, которые комплементарны парам оснований ДНК. РНК притягивает ноги ДНК на одной стороне двигателя и связывает их с дорожкой. Фермент, который нацелен только на РНК, которая связана с ДНК, а затем быстро разрушает связанную РНК.

Это заставляет мотор вращаться, поскольку ноги ДНК на следующей стороне мотора вытягиваются вперед из-за их притяжения к РНК.
Катящийся мотор ДНК прокладывает постоянный путь, поэтому он продолжает двигаться по прямой линии, в отличие от более случайного движения ходячих моторов ДНК. Перекатывающее движение также увеличивает скорость нового двигателя ДНК: он может пройти длину человеческой стволовой клетки за два или три часа. Предыдущим моторам ДНК требовалось около суток, чтобы преодолеть такое же расстояние, и большинству из них не хватало настойчивости, чтобы преодолеть такое расстояние.

Одной из самых больших проблем было измерение скорости двигателя в наномасштабе. Эта проблема была решена путем добавления флуоресцентных меток на обоих концах двигателя ДНК и оптимизации условий визуализации на флуоресцентном микроскопе.
Методом проб и ошибок исследователи определили, что жесткая форма стержня оптимальна для движения по прямой и что 36 футов на каждой стороне двигателя обеспечивают оптимальную плотность для скорости.

«Мы предоставили настраиваемую платформу для двигателей ДНК-оригами, которую другие исследователи могут использовать для разработки, тестирования и оптимизации двигателей для дальнейшего развития», – говорит Базрафшан. «Наша система позволяет вам тестировать влияние всех видов переменных, таких как форма и жесткость шасси, а также количество и плотность опор для точной настройки вашей конструкции.»
Например, какие переменные могут привести к движению ДНК-мотора по кругу?? Или мотор, который крутится, чтобы объехать препятствия? Или тот, который поворачивается в ответ на конкретную цель?

«Мы надеемся, что другие исследователи предложат другие творческие разработки, основанные на этих выводах», – говорит Базрафшан.