ДНК-наночастичные моторы приблизились по скорости к моторным белкам

ДНК-наночастичные моторы — это искусственные нанодвигатели, которые используют структуры ДНК и РНК для создания движения за счёт ферментативной деградации РНК. Химическая энергия преобразуется в механическое движение путём смещения броуновского движения.

Мотор работает по механизму «сожжённого моста» (burnt-bridge Brownian ratchet). Движение происходит за счёт деградации («сжигания») связей («мостиков»), которые мотор пересекает на субстрате, что смещает его движение вперёд.

Эти программируемые наномоторы могут использоваться в молекулярных вычислениях, диагностике и транспорте.

Однако их скорость была значительно ниже, чем у биологических аналогов — моторных белков. Исследователи провели эксперимент по отслеживанию одиночных частиц и геометрическое кинетическое моделирование, чтобы оптимизировать и создать более быстрый искусственный мотор.

«Естественные моторные белки играют ключевую роль в биологических процессах, их скорость составляет 10–1000 нм/с. До сих пор искусственные молекулярные моторы не могли приблизиться к этим скоростям, большинство обычных конструкций достигали менее 1 нм/с», — сказал Таканори Харашима, исследователь и первый автор работы.

Исследование, опубликованное в Nature Communications, предлагает решение главной проблемы — скорости — путём устранения узкого места.

Эксперимент и моделирование показали, что узким местом, замедляющим весь процесс, является связывание фермента RNase H. Этот фермент участвует в поддержании целостности генома и расщепляет РНК в гибридах РНК/ДНК внутри мотора.

Чем медленнее происходит связывание RNase H, тем длиннее паузы в движении, что приводит к снижению общей скорости. Увеличение концентрации RNase H значительно повысило скорость, сократив длительность пауз с 70 секунд примерно до 0,2 секунды.

Однако рост скорости привёл к снижению процессивности (числа шагов до отсоединения) и длины пробега (расстояния до отсоединения). Учёные обнаружили, что этот компромисс между скоростью и процессивностью/длиной пробега можно улучшить, увеличив скорость гибридизации ДНК/РНК, что приблизило смоделированные показатели к характеристикам моторного белка.

Сконструированный мотор с переработанными последовательностями ДНК/РНК и увеличением скорости гибридизации в 3,8 раза достиг скорости 30 нм/с, процессивности 200 и длины пробега 3 мкм. Эти результаты демонстрируют, что ДНК-наночастичный мотор теперь сравним по производительности с моторным белком.

«В конечном итоге мы стремимся разработать искусственные молекулярные моторы, превосходящие по характеристикам природные моторные белки», — сказал Харашима.

Такие искусственные моторы могут быть полезны в молекулярных вычислениях, основанных на движении мотора, а также в высокочувствительной диагностике инфекций или молекул, связанных с заболеваниями.

Проведённые эксперимент и моделирование обнадёживают в отношении будущего ДНК-наночастичных и родственных им искусственных моторов, их способности соответствовать моторным белкам и их применения в нанотехнологиях.