一個(gè)國際科學(xué)家團(tuán)隊(duì)最近開發(fā)了一種由DNA制成的新型納米發(fā)動(dòng)機(jī)。它由一個(gè)聰明的機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)，可以進(jìn)行脈沖運(yùn)動(dòng)。研究人員現(xiàn)在正計(jì)劃將其安裝在一個(gè)聯(lián)軸器上，并將其安裝在復(fù)雜的納米機(jī)器中作為驅(qū)動(dòng)器。他們的研究結(jié)果今天剛剛發(fā)表在《自然納米技術(shù)》雜志上。
Petr Šulc是亞利桑那州立大學(xué)分子科學(xué)學(xué)院和分子設(shè)計(jì)與仿生學(xué)生物設(shè)計(jì)中心的助理教授，他與德國波恩大學(xué)的Famulok教授(項(xiàng)目負(fù)責(zé)人)和密歇根大學(xué)的Walter教授合作完成了這個(gè)項(xiàng)目。
Šulc已經(jīng)使用他的團(tuán)隊(duì)的計(jì)算機(jī)建模工具來深入了解這種葉彈簧納米發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)和操作。該結(jié)構(gòu)由近14000個(gè)核苷酸組成，這些核苷酸構(gòu)成了DNA的基本結(jié)構(gòu)單位。
“如果沒有我們團(tuán)隊(duì)用于設(shè)計(jì)和設(shè)計(jì)DNA納米結(jié)構(gòu)的計(jì)算機(jī)模型oxDNA，就不可能在這么大的納米結(jié)構(gòu)中模擬運(yùn)動(dòng)，”Petr Šulc解釋說。“這是化學(xué)驅(qū)動(dòng)的DNA納米馬達(dá)第一次被成功地設(shè)計(jì)出來。我們非常興奮，我們的研究方法可以幫助研究它，并期待在未來構(gòu)建更復(fù)雜的納米器件。”
這種新型發(fā)動(dòng)機(jī)類似于手部握力訓(xùn)練器，經(jīng)常使用時(shí)可以加強(qiáng)握力。然而，馬達(dá)要小一百萬倍。兩個(gè)手柄通過彈簧連接成v形結(jié)構(gòu)。
在握力訓(xùn)練器中，你要頂住彈簧的阻力把兩個(gè)把手?jǐn)D在一起。一旦你松開手柄，彈簧就會(huì)把手柄推回到原來的位置。“我們的馬達(dá)使用了非常相似的原理，”波恩大學(xué)生命與醫(yī)學(xué)科學(xué)(LIMES)研究所的Michael Famulok教授說。“但是把手不是壓在一起的，而是拉在一起的。”
研究人員重新設(shè)計(jì)了一種機(jī)制，沒有這種機(jī)制，地球上就不會(huì)有植物和動(dòng)物。每個(gè)牢房都配備了一種圖書館。它包含了每個(gè)細(xì)胞執(zhí)行其功能所需的所有類型蛋白質(zhì)的藍(lán)圖。如果細(xì)胞想要產(chǎn)生某種類型的蛋白質(zhì)，它就會(huì)從相應(yīng)的藍(lán)圖中訂購一個(gè)副本。這種轉(zhuǎn)錄物是由一種叫做RNA聚合酶的酶產(chǎn)生的。
RNA聚合酶驅(qū)動(dòng)脈沖運(yùn)動(dòng)
最初的藍(lán)圖由長鏈DNA組成。RNA聚合酶沿著這些鏈移動(dòng)，逐個(gè)字母復(fù)制存儲(chǔ)的信息。“我們將RNA聚合酶附著在納米機(jī)器的一個(gè)手柄上，距離很近的情況下，我們還在兩個(gè)把手之間拉伸了一條DNA鏈。聚合酶抓住這條鏈進(jìn)行復(fù)制。它沿著鏈拉著自己，非轉(zhuǎn)錄的部分變得越來越小。這一點(diǎn)一點(diǎn)地將第二個(gè)手柄拉向第一個(gè)手柄，同時(shí)壓縮彈簧。”
手柄之間的DNA鏈在其末端前不久包含一個(gè)特殊的字母序列。這個(gè)所謂的終止序列向聚合酶發(fā)出信號(hào)，讓它釋放DNA。彈簧現(xiàn)在可以再次放松，將手柄分開。這使得鏈的起始序列靠近聚合酶，分子復(fù)印機(jī)可以開始一個(gè)新的轉(zhuǎn)錄過程，然后循環(huán)重復(fù)。“通過這種方式，我們的納米馬達(dá)執(zhí)行脈沖動(dòng)作”。
可以作為燃料
這種電機(jī)也需要能量，就像任何其他類型的電機(jī)。它是由聚合酶產(chǎn)生轉(zhuǎn)錄本的“字母湯”提供的。這些字母中的每一個(gè)(在技術(shù)術(shù)語中:核苷酸)都有一個(gè)由三個(gè)磷酸基團(tuán)組成的小尾巴-三磷酸。為了在現(xiàn)有的句子上附加一個(gè)新字母，聚合酶必須去除兩個(gè)磷酸基團(tuán)。這就釋放了能量，可以用來連接字母。“因此，我們的馬達(dá)使用三磷酸核苷酸作為燃料，”Famulok說。“只有當(dāng)有足夠數(shù)量的人可用時(shí)，它才能繼續(xù)運(yùn)行。”
研究人員能夠證明，馬達(dá)可以很容易地與其他結(jié)構(gòu)相結(jié)合。這應(yīng)該使它有可能，例如，在一個(gè)表面上徘徊——類似于一只尺蠖，它以自己特有的方式沿著樹枝牽引自己。Famulok解釋說:“我們還計(jì)劃生產(chǎn)一種離合器，它可以讓我們只在特定時(shí)間使用電機(jī)的功率，否則就會(huì)讓它閑置。”從長遠(yuǎn)來看，馬達(dá)可能會(huì)成為復(fù)雜納米機(jī)器的心臟。“然而，在我們達(dá)到這一階段之前，還有很多工作要做。”
Petr Šulc的實(shí)驗(yàn)室是高度跨學(xué)科的，廣泛應(yīng)用統(tǒng)計(jì)物理和計(jì)算建模的方法來解決化學(xué)，生物學(xué)和納米技術(shù)的問題。該小組開發(fā)了新的多尺度模型來研究生物分子之間的相互作用，特別是在設(shè)計(jì)和模擬DNA和RNA納米結(jié)構(gòu)和設(shè)備的背景下。
“就像我們?nèi)粘Ｊ褂玫膹?fù)雜機(jī)器——飛機(jī)、汽車和電子芯片——需要復(fù)雜的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)工具來確保它們執(zhí)行預(yù)期的功能一樣，我們迫切需要在分子科學(xué)中使用這些方法。”
分子科學(xué)學(xué)院院長Tijana Rajh教授說:“Petr Šulc和他的團(tuán)隊(duì)正在進(jìn)行極具創(chuàng)新性的分子科學(xué)研究，他們利用計(jì)算化學(xué)和物理學(xué)的方法在生物學(xué)和納米技術(shù)的背景下研究DNA和RNA分子。我們分子科學(xué)學(xué)院的年輕教員有著非凡的成就記錄，Petr Šulc教授是這方面的典范。
Bio-nanotechnology
DNA和RNA是構(gòu)成生命的基本分子。它們?cè)诨罴?xì)胞中完成許多功能，包括信息存儲(chǔ)和信息傳遞。它們?cè)诩{米技術(shù)領(lǐng)域也有很好的應(yīng)用，設(shè)計(jì)好的DNA和RNA鏈被用來組裝納米級(jí)的結(jié)構(gòu)和設(shè)備。正如?ulc解釋的那樣，“這有點(diǎn)像玩樂高積木，除了每個(gè)樂高積木只有幾納米(百萬分之一毫米)大小，而不是把每個(gè)積木放在它應(yīng)該去的地方，你把它們放在一個(gè)盒子里，隨機(jī)搖晃，直到只有想要的結(jié)構(gòu)出來。”
這個(gè)過程被稱為自組裝，?ulc和他的同事使用計(jì)算建模和設(shè)計(jì)軟件來設(shè)計(jì)構(gòu)建模塊，這些模塊可以在納米級(jí)分辨率下可靠地組裝成人們想要的形狀。
Petr Šulc說:“這一領(lǐng)域的應(yīng)用前景包括診斷、治療、分子機(jī)器人和新材料的制造。”“我的實(shí)驗(yàn)室開發(fā)了設(shè)計(jì)這些模塊的軟件，我們與亞利桑那州立大學(xué)以及美國和歐洲其他大學(xué)的實(shí)驗(yàn)小組密切合作。“隨著該領(lǐng)域的發(fā)展，我們實(shí)現(xiàn)了新的先進(jìn)設(shè)計(jì)，并成功地在納米尺度上運(yùn)行，看到我們的方法用于設(shè)計(jì)和表征越來越復(fù)雜的納米結(jié)構(gòu)，這是令人興奮的。”
（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2023-10） | 
