Новини з біохімії: "Чи можуть двигуни з наночастинок ДНК зрівнятися в швидкості з моторними білками?"
Новини з біохімії: "Чи можуть двигуни з наночастинок ДНК зрівнятися в швидкості з моторними білками?"
January 23, 2025
Двигуни на основі наночастинок ДНК ‒ це саме те, що звучить: крихітні штучні двигуни, які використовують структури ДНК і РНК для приведення в рух шляхом ферментативної деградації РНК. По суті, хімічна енергія перетворюється на механічний рух шляхом зміщення броунівського руху. Двигун на основі ДНК-наночастинок використовує броунівський храповий механізм «спаленого моста». У цьому типі руху двигун приводиться в рух деградацією (або «спалюванням») зв'язків (або «мостів»), які він перетинає вздовж підкладки, по суті, зміщуючи його рух вперед.
Ці нанорозмірні двигуни легко програмуються і можуть бути розроблені для використання в молекулярних обчисленнях, діагностиці та транспорті. Незважаючи на свою геніальність, двигуни з наночастинок ДНК не мають такої швидкості, як їхні біологічні аналоги - моторні білки, і саме в цьому полягає проблема. Саме тут дослідники вступають в роботу, щоб проаналізувати, оптимізувати та відновити швидший штучний двигун, використовуючи експеримент з відстеженням однієї частинки та кінетичне моделювання на основі геометрії.
«Природні моторні білки відіграють важливу роль у біологічних процесах зі швидкістю 10-1000 нм/с. Досі штучні молекулярні двигуни намагалися наблизитися до цих швидкостей, більшість традиційних конструкцій досягають швидкості менше 1 нм/с», - сказав Таканорі Харашима, дослідник і перший автор дослідження.
Дослідники опублікували свою роботу в журналі Nature Communications 16 січня 2025 року, в якій запропонували рішення найбільш нагальної проблеми швидкості: перемикання вузького місця.
Експеримент і моделювання показали, що зв'язування РНКази Н є вузьким місцем, в якому сповільнюється весь процес. РНКаза Н ‒ це фермент, який бере участь у підтримці геному і розщеплює РНК у РНК/ДНК-гібридах у двигуні. Чим повільніше відбувається зв'язування РНКази Н, тим довшими стають паузи в русі, що призводить до уповільнення загального часу обробки. Збільшення концентрації РНКази Н призводило до помітного покращення швидкості: тривалість пауз зменшувалася з 70 секунд до приблизно 0,2 секунди.
Однак збільшення швидкості руху відбулося за рахунок зниження продуктивності (кількості кроків перед від'єднанням) і довжини ходу (відстані, яку проходить двигун перед від'єднанням). Дослідники виявили, що цей компроміс між швидкістю та продуктивністю/довжиною циклу можна покращити, збільшивши швидкість гібридизації ДНК/РНК, наблизивши змодельовану роботу до роботи моторного білка.
Сконструйований мотор зі зміненими послідовностями ДНК/РНК та збільшеною в 3,8 рази швидкістю гібридизації досяг швидкості 30 нм/с, продуктивності 200 та довжини циклу 3 мкм. Ці результати демонструють, що двигун на основі ДНК-наночастинок тепер можна порівняти за продуктивністю з моторним білком.
«Зрештою, ми прагнемо розробити штучні молекулярні двигуни, які перевершують природні моторні білки за продуктивністю» ‒ сказав Харашима. Ці штучні двигуни можуть бути дуже корисними в молекулярних обчисленнях, заснованих на русі мотора, не кажучи вже про їхню заслугу в діагностиці інфекцій або молекул, пов'язаних із захворюваннями, з високою чутливістю.
Експеримент і моделювання, проведені в цьому дослідженні, дають обнадійливі перспективи для майбутнього ДНК-наночастинок і пов'язаних з ними штучних двигунів, їхньої здатності вимірювати рух білків, а також їхнього застосування в нанотехнологіях.
Таканорі Харашима, Акіхіро Отомо та Рьота Ійно з Інституту молекулярних наук при Національному інституті природничих наук та Інституту післядипломної освіти при СОКЕНДАЙ зробили свій внесок у це дослідження.
Ця робота була підтримана JSPS KAKENHI, грантами на допомогу для трансформаційних наукових досліджень (A) (публічно запропоновані дослідження) «Матеріалознавство мезо-ієрархії» (JP24H01732) і «Молекулярна кібернетика» (JP23H04434), Грант на підтримку наукових досліджень в інноваційних галузях «Молекулярний двигун» (JP18H05424), Грант на підтримку вчених-початківців (JP23K13645), JST ACT-X «Життя та інформація» (JPMJAX24LE) та Дослідницький грант Фонду Цугави на 2023 фінансовий рік.
Першоджерело: Institute for Molecular Science at National Institutes of Natural Sciences
