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要使分子機制的運動具有方向性，就必須克服在環(huán)境溫度下的小尺度和液體溶液中普遍存在的隨機熱力。在沒有能量供應(yīng)的平衡狀態(tài)下，定向運動不可能不違反熱力學(xué)定律而持續(xù)下去。

在遠離熱力學(xué)平衡的條件下，方向運動可以在布朗棘輪的框架內(nèi)實現(xiàn)，布朗棘輪是打破反轉(zhuǎn)對稱的擴散機制。棘輪被認為是許多天然生物馬達的功能基礎(chǔ)，例如F₁F₀-ATP酶，它已經(jīng)在合成微系統(tǒng)和有機化學(xué)合成的人工分子馬達中得到實驗證明。

DNA納米技術(shù)，已經(jīng)產(chǎn)生了多種納米尺度的機制，包括樞軸、鉸鏈、曲柄滑塊和旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，它們可以采用不同的配置，例如，由鏈-位移反應(yīng)或通過改變環(huán)境參數(shù)(如pH值、離子強度、溫度、外部場)觸發(fā)，并通過將它們的運動與天然馬達蛋白的運動耦合。

在此，來自英國牛津大學(xué)的Ramin Golestanian &德國慕尼黑工業(yè)大學(xué)的Friedrich C. Simmel和Hendrik Dietz等研究者開發(fā)了一種納米級的旋轉(zhuǎn)馬達，由DNA折紙術(shù)構(gòu)建，由棘輪驅(qū)動，其機械性能接近生物馬達，如F₁F₀-ATP酶。相關(guān)論文以題為“A DNA origami rotary ratchet motor”于2022年07月20日發(fā)表在Nature上。

研究者使用DNA折紙的方法設(shè)計和制作了一個高40納米、寬30納米的基座，在其上方固定了一個邊長60納米、厚度13納米的等邊三角形平臺(圖1a-c)。通過三角形平臺的中心腔突出的基座部分包括用于轉(zhuǎn)子臂的對接部位。?？奎c通過一個由三個未配對核苷酸組成的支點固定在基座上三角形平臺的中點附近。旋轉(zhuǎn)臂由兩個端到端連接的剛性棒模塊(每個都是單獨的DNA折紙)組成(圖1d,e)，總長度為550 nm。

研究者選擇轉(zhuǎn)子臂的長度，是為了在衍射受限熒光顯微鏡中實時跟蹤單個馬達的角度方向變化，并通過與溶劑的粘性摩擦來減緩角運動，這是受到Kinosita和其他人的經(jīng)典實驗的啟發(fā)，該實驗顯示了單個F-肌動蛋白標記的F₁-ATP酶馬達的旋轉(zhuǎn)。

桿模塊由十個DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)組成，呈蜂窩狀排列(圖1d,e)。這種螺旋束曾被證明具有幾微米尺度的持久性長度。轉(zhuǎn)子臂因此可以看作是一個剛性但有彈性的桿。轉(zhuǎn)子臂在樞軸點的兩側(cè)突出，超出三角形平臺的范圍。通過這種設(shè)計，轉(zhuǎn)子臂在空間上受到約束，只能圍繞三角形平面內(nèi)的樞軸點進行單軸旋轉(zhuǎn)。研究者還在三角形平臺的三個邊緣安裝了物理障礙物(圖1c)。

障礙物由18毫米長的矩形板組成，從三角形平臺表面傾斜約50°。這些鋼板用一組雙螺旋墊片固定在這個角度上。當掃過三角形平臺時，為了克服障礙，轉(zhuǎn)子臂必須向上彎曲。彎曲構(gòu)成了一個能量屏障，它可以以玻爾茲曼加權(quán)的方式將轉(zhuǎn)子困在障礙物之間。該馬達還包括功能修改，如生物素部分和熒光染料(圖1f)，以使實驗觀察單個馬達顆粒的運動。有了生物素部分，定子可以通過每個定子的幾個生物素中性蛋白鍵固定在顯微鏡玻璃覆蓋層上，旋轉(zhuǎn)臂尖端的多個熒光染料允許使用相對于單獨標記的三角形平臺的位置的質(zhì)心跟蹤來確定其方向(圖1f)。

圖1. 馬達設(shè)計及實驗裝置

在此，研究者開發(fā)了一種由DNA折紙構(gòu)建的納米級旋轉(zhuǎn)馬達，該馬達由棘輪驅(qū)動，其機械性能接近F₁F₀-ATP酶等生物馬達。

圖2. DNA折紙馬達的結(jié)構(gòu)分析

圖3. 馬達動力學(xué)

圖4. 馬達機構(gòu)，波動分析和卷繞主軸

綜上所述，研究者的大分子旋轉(zhuǎn)馬達可以完成工作，這一點可以從它們在溶液中對抗粘性阻力的持續(xù)旋轉(zhuǎn)，以及它們纏繞分子扭轉(zhuǎn)彈簧的能力上得到證明。隨著角速度高達每分鐘250轉(zhuǎn)和扭矩高達10 pN納米，馬達實現(xiàn)的轉(zhuǎn)速和扭矩正在接近那些已知的強大的天然分子機器，如ATP合酶。由于固有的機械特性，馬達的方向移動，由一個簡單的外部能量調(diào)制，不需要任何反饋或用戶提供的信息來指導(dǎo)馬達。

此外，研究者的馬達還提供了控制選項，一個熟悉的宏觀馬達：用戶可以打開和關(guān)閉它們的意愿，它們的反應(yīng)迅速，轉(zhuǎn)速和旋轉(zhuǎn)方向可以調(diào)節(jié)。任何擁有標準濕式實驗室設(shè)備的人，都可以生產(chǎn)和操作這種馬達。它足以傳輸序列信息，讓其他用戶使用從商業(yè)來源獲得的DNA分子復(fù)制和建造他們自己的馬達。生產(chǎn)所需的DNA分子，可以按比例大規(guī)模生產(chǎn)。

由于DNA折紙組件的模塊化，研究者預(yù)計馬達也可以修改，適應(yīng)和集成到其他環(huán)境。Gopinath等人最近描述了如何以可編程的方式在有圖案的固態(tài)表面上放置和定位DNA折紙物體。這些方法，可以用來建立馬達陣列與控制定子方向相對于場軸，以實現(xiàn)同步旋轉(zhuǎn)。

研究者的馬達設(shè)計和操作理念，也可能適用于DNA折紙之外的其他系統(tǒng)。例如，具有帶電殘基的基于蛋白質(zhì)的旋轉(zhuǎn)組件可能可以從頭設(shè)計，并可以通過交流場驅(qū)動方向偏置旋轉(zhuǎn)。此外，除了電場之外，其他方向交替的能源供應(yīng)，如交替的流體流動，也可能被使用。一個自然的下一個前沿領(lǐng)域?qū)⑹翘剿魍ㄟ^化學(xué)反應(yīng)引起屏障調(diào)制，并利用定向運動來驅(qū)動上坡的化學(xué)合成，使用更復(fù)雜的合成機制，以協(xié)調(diào)的互反運動為特征——就像F₁F₀-ATP合酶在旋轉(zhuǎn)運動驅(qū)動下機械合成ATP一樣。

文獻信息

Pumm, AK., Engelen, W., Kopperger, E.?et al.?A DNA origami rotary ratchet motor.?Nature?607,?492–498 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04910-y

原文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04910-y

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請注明來源華算科技，注明出處：http://www.xiubac.cn/index.php/2023/11/15/769d38c65b/

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