Международная команда создала новый ДНК-нано-двигатель

Международная команда ученых разработала новый тип нанодвигателя, сделанного из ДНК. Он приводится в действие умным механизмом и способен выполнять пульсирующие движения. Исследователи планируют оснастить его сцеплением и установить в качестве привода в сложные наномашины. Результаты опубликованы в журнале Nature Nanotechnology.

В проекте участвовали доцент Петр Шульц из Университета штата Аризона, профессор Фамулок (руководитель проекта) из Университета Бонна (Германия) и профессор Уолтер из Мичиганского университета.

Группа Шульца использовала компьютерное моделирование для изучения конструкции и работы этого нанодвигателя с листовой пружиной. Конструкция состоит почти из 14 000 нуклеотидов — основных структурных единиц ДНК.

«Смоделировать движение в такой большой наноструктуре было бы невозможно без oxDNA — компьютерной модели, которую наша группа использует для проектирования ДНК-наноструктур. Это первый случай успешного создания химически приводимого в движение мотора из ДНК-наноматериалов», — объясняет Шульц.

Принцип работы и приводящий механизм

Этот новый двигатель похож на кистевой эспандер, но примерно в миллион раз меньше. Две «рукоятки» соединены пружиной в V-образной структуре.

В двигателе рукоятки не сжимаются, а стягиваются вместе. Исследователи использовали механизм, без которого не было бы растений и животных на Земле, — транскрипцию с участием РНК-полимераз.

РНК-полимераза была прикреплена к одной из рукояток наномашины. Между двумя рукоятками была натянута цепь ДНК. Полимераза захватывает эту цепь, чтобы скопировать её. Она тянется вдоль цепи, и некопируемый участок становится всё меньше. Это стягивает вторую рукоятку к первой, одновременно сжимая пружину.

Непосредственно перед концом цепи ДНК находится специальная терминационная последовательность. Она сигнализирует полимеразе, что нужно отпустить ДНК. Пружина расслабляется и раздвигает рукоятки. Это приближает стартовую последовательность цепи к полимеразе, и молекулярный копировальный аппарат может начать новый цикл транскрипции. Таким образом наномотор выполняет пульсирующее действие.

Топливо и перспективы

Двигателю требуется энергия. Её обеспечивает «алфавитный суп» — нуклеотидтрифосфаты, из которых полимераза создаёт транскрипты. Они служат топливом. Двигатель работает только при достаточном их количестве.

Исследователи показали, что двигатель можно легко комбинировать с другими структурами. Это позволит ему, например, перемещаться по поверхности.

«Мы также планируем создать своего рода сцепление, которое позволит нам использовать мощность двигателя только в определенное время», — объясняет Фамулок. В долгосрочной перспективе двигатель может стать сердцем сложной наномашины.

Роль компьютерного моделирования и область био-нанотехнологий

Лаборатория Шульца междисциплинарна и применяет методы статистической физики и вычислительного моделирования в химии, биологии и нанотехнологиях. Группа разрабатывает новые мультимасштабные модели для изучения взаимодействий между биомолекулами, особенно в контексте проектирования и моделирования ДНК- и РНК-наноструктур.

«Так же, как сложные машины в нашем повседневном использовании требуют сложных инструментов компьютерного проектирования, в молекулярных науках остро необходимы такие методы», — отмечает Шульц.

ДНК и РНК — основные молекулы жизни. Они также имеют перспективные применения в области нанотехнологий, где спроектированные нити ДНК и РНК используются для сборки наноразмерных структур и устройств методом самосборки.

«Многообещающие применения этой области включают диагностику, терапию, молекулярную робототехнику и создание новых материалов», — говорит Шульц.