Международная группа ученых недавно разработала инновационный тип нанодвигателя, изготовленного с использованием ДНК. Этот двигатель активируется интеллектуальным механизмом и способен выполнять пульсирующие движения. В настоящее время исследователи стремятся интегрировать его как компонент сложных наномашин. Их открытия были опубликованы 19 октября в журнале Nature Nanotechnology.
В этой работе сотрудничали Петр Шулц, доцент Школы молекулярных наук Университета штата Аризона, профессор Фамулок из Боннского университета в Германии и профессор Вальтер из Мичиганского университета.
Петр Шулц и его группа использовали инструменты компьютерного моделирования, чтобы понять структуру и функционирование этого нанодвигателя с листовой рессорой. Эта структура состоит из около 14 000 нуклеотидов, которые формируют основные структурные элементы ДНК.
Шулц объясняет:
Мы использовали компьютерную модель oxDNA, которую наша группа использует для дизайна наноструктур ДНК. Этот двигатель является первым примером нанотехнологического двигателя на основе ДНК с химическим приводом. Мы очень рады, что наши методы исследования могут помочь в дальнейших исследованиях и разработке более сложных наноустройств в будущем.
Этот новый вид двигателя может быть сравним с эспандером, который укрепляет мышцы руки при регулярном использовании, хотя в данном случае размеры нанодвигателя составляют приблизительно один миллион раз меньше. Две ручки связаны пружиной в форме буквы V.
В тренажере для силы хвата руки сжимаются вместе, преодолевая сопротивление пружины. Как только сжатие прекращается, пружина возвращает руки в исходное положение. Профессор Майкл Фамулок, специалист в области биологии и медицинских наук из Боннского университета, поясняет:
Наш двигатель использует аналогичный принцип, хотя здесь ручки не сжимаются друг к другу, а, наоборот, сжимаются.
Исследователи изменили механизм, который считается неотъемлемой частью живых организмов. Каждая клетка оборудована собственной библиотекой, которая содержит инструкции для создания различных белков, необходимых клетке для выполнения ее функций. Когда клетка нуждается в создании определенного белка, она заказывает его согласно соответствующей инструкции. Эта информация передается молекулярным машинами под названием РНК-полимеразы.
Исходные инструкции представляют собой длинные нити ДНК. РНК-полимеразы перемещаются вдоль этих нитей, копируя информацию буква за буквой. Профессор Фамулок говорит: "Мы прикрепили РНК-полимеразу к одной из ручек нашей наномашины. Мы также разместили нить ДНК между двумя ручками. Полимераза захватывает эту нить и копирует ее. По мере транскрипции нить двигается вдоль ДНК, и недоступная для транскрипции часть становится все меньше. Это приводит к приближению второй ручки к первой и сжатию пружины".
Нить ДНК, расположенная между ручками, содержит специфическую последовательность букв, известную как терминационная последовательность, которая сигнализирует РНК-полимеразе о том, когда отпустить ДНК. Затем пружина возвращает руки в исходное положение, поднимая стартовую последовательность ближе к полимеразе и запуская новый процесс копирования. Этот цикл повторяется, создавая пульсирующее движение. Матиас Чентола из исследовательской группы, возглавляемой профессором Фамулоком, объясняет: "Таким образом, наш наномотор обеспечивает пульсирующее движение".
Подобно другим видам двигателей, этому мотору нужна энергия. Энергию предоставляет "алфавитный суп", из которого РНК-полимераза создает копии. Каждая буква содержит маленький "хвост", состоящий из трех фосфатных групп, называемых трифосфатами. Чтобы добавить новую букву к существующей цепи, РНК-полимераза удаляет две из этих фосфатных групп, что освобождает энергию для связывания букв вместе. Профессор Фамулок поясняет: "Поэтому наш двигатель использует нуклеотиды-трифосфаты в качестве топлива. Его работа зависит от их наличия".
Исследователям удалось показать, что этот мотор можно легко комбинировать с другими структурами. Это открывает возможности, такие как перемещение по поверхности, аналогично тому, как червь ползает по ветке. Профессор Фамулок объясняет: "Мы также планируем создать сцепление, которое позволит нам использовать мощность двигателя только по необходимости, а в остальное время оставлять его в режиме ожидания. В долгосрочной перспективе этот двигатель может стать центральным элементом сложных наномашин, хотя для этого нам предстоит еще много работы".