DNA“折纸”的里程碑——人造分子马达

来源：生物通作者：人气：-发表时间：2022-07-22 09:39:00【大中小】

摘要：自从这项技术在2006年首次被展示以来，研究人员已经构建了越来越复杂的DNA "折纸"。布朗运动驱动的旋转装置可以为更先进的纳米级机器铺平道路。

物理学家已经完全用DNA链建造了一个分子尺度的马达，并通过缠绕DNA“弹簧”来存储能量。

德国慕尼黑工业大学的生物物理学家Hendrik Dietz说，这不是第一个DNA纳米马达，但它“肯定是第一个真正执行可测量机械工作的”，他的团队在7月20日的《Nature》杂志上报告了这一结果。这项技术增加了越来越多的“DNA折纸”技巧，这些技巧被用于在分子尺度上构建结构。该方法旨在寻找在化学合成和药物传递等领域的应用。

活细胞充满了分子机器——包括旋转马达;它们执行一系列任务，从摆动细菌的鞭毛到产生构成细胞能量储备的ATP分子。这些电机通常采用棘轮机制，类似于发条装置中的齿轮，允许向一个方向转动，但不能向另一个方向转动。

就像细胞里的其他东西一样，生物机器也因为布朗运动而不断地受到冲击——布朗运动是指细胞质里的分子和其他粒子不断地、随机地运动。通常，当粒子碰撞在一起时，它们可以相互传递一种能量。

图片:这些马达是由排成三角形平台的DNA链组成的，这些平台连接在一个长长的旋转臂上。

Dietz和他的同事们希望用DNA设计出一种马达，这种马达可以通过布朗运动来驱动，就像在细胞中发现的基于蛋白质的机器一样。在他们使用的DNA折纸技术中，噬菌体病毒单链DNA环与合成DNA短链混合在一起;这些是用来匹配病毒基因组中特定位点的碱基序列。短的碎片与长链结合，迫使它们折叠成所需的形状。自从这项技术在2006年首次被展示以来，研究人员已经构建了越来越复杂的DNA "折纸"。

Dietz和他的团队用DNA建造了三角形平台，每个平台中间都有一根杆子伸出来。他们将这些结构粘在玻璃表面，并添加了长长的DNA臂，这些臂附着在平台上，使它们能够绕着杆子旋转。

为了制造棘轮效应，研究人员设计了带有凸起的平台，使旋转更加困难。只有布朗运动提供的踢腿才能使手臂克服颠簸并旋转，通常只旋转半圈。

图2 马达设计和实验设置（来源：Nature）

在没有任何进一步干预的情况下，旋转将随机来回。因此，该团队还将两个电极浸入溶液中，并在交替方向上运行电流。电压的变化改变了长DNA臂所经历的能量格局，并通过一种被称为闪烁布朗棘轮的机制使其向一个更有利的方向旋转。

这使得被动设备变成了真正的马达:显微镜图像显示，在这些条件下，每只手臂——尽管随机摇晃——平均保持在同一个方向上旋转。(方向取决于三角形基座相对于电极的精确方向。)

图3 DNA折纸马达的结构分析（来源：Nature）

就像上了发条的手表

就其本身而言，纳米级的马达所做的只是克服周围溶液的阻力。Dietz说:“这就像你游泳一样:你向前移动，做了很多工作，但它在水中消散了。”但为了证明它也能做一些潜在的有用的工作，研究人员更进一步:他们将另一串DNA连接到转子上，让它像机械表中用来转动齿轮的螺旋弹簧一样旋转。Dietz说，这种机制可以帮助纳米机器储存能量或拉动其他机械部件。

英国曼彻斯特大学的化学家大卫·利(David Leigh)说:“这是该团队的一个了不起的成就，首先，他们能够设计出一个系统，通过DNA折纸折叠成如此复杂和功能齐全的结构，其次，他们能够如此彻底地描述其动力学特征。”最近，Leigh和他的团队采用了一种截然不同的方法，在原子尺度上展示了一种旋转马达，它可以围绕单个分子键旋转。

参考资料：

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