一個國際科學家團隊最近開發了一種由DNA制成的新型納米發動機。它由一個聰明的機構驅動，可以進行脈沖運動。研究人員現在正計劃將其安裝在一個聯軸器上，并將其安裝在復雜的納米機器中作為驅動器。他們的研究結果今天剛剛發表在《自然納米技術》雜志上。

Petr Šulc是亞利桑那州立大學分子科學學院和分子設計與仿生學生物設計中心的助理教授，他與德國波恩大學的Famulok教授(項目負責人)和密歇根大學的Walter教授合作完成了這個項目。

Šulc已經使用他的團隊的計算機建模工具來深入了解這種葉彈簧納米發動機的設計和操作。該結構由近14000個核苷酸組成，這些核苷酸構成了DNA的基本結構單位。

“如果沒有我們團隊用于設計和設計DNA納米結構的計算機模型oxDNA，就不可能在這么大的納米結構中模擬運動，”Petr Šulc解釋說。“這是化學驅動的DNA納米馬達第一次被成功地設計出來。我們非常興奮，我們的研究方法可以幫助研究它，并期待在未來構建更復雜的納米器件。”

這種新型發動機類似于手部握力訓練器，經常使用時可以加強握力。然而，馬達要小一百萬倍。兩個手柄通過彈簧連接成v形結構。

在握力訓練器中，你要頂住彈簧的阻力把兩個把手擠在一起。一旦你松開手柄，彈簧就會把手柄推回到原來的位置。“我們的馬達使用了非常相似的原理，”波恩大學生命與醫學科學(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。”

研究人員重新設計了一種機制，沒有這種機制，地球上就不會有植物和動物。每個牢房都配備了一種圖書館。它包含了每個細胞執行其功能所需的所有類型蛋白質的藍圖。如果細胞想要產生某種類型的蛋白質，它就會從相應的藍圖中訂購一個副本。這種轉錄物是由一種叫做RNA聚合酶的酶產生的。

RNA聚合酶驅動脈沖運動

最初的藍圖由長鏈DNA組成。RNA聚合酶沿著這些鏈移動，逐個字母復制存儲的信息。“我們將RNA聚合酶附著在納米機器的一個手柄上，距離很近的情況下，我們還在兩個把手之間拉伸了一條DNA鏈。聚合酶抓住這條鏈進行復制。它沿著鏈拉著自己，非轉錄的部分變得越來越小。這一點一點地將第二個手柄拉向第一個手柄，同時壓縮彈簧。”

手柄之間的DNA鏈在其末端前不久包含一個特殊的字母序列。這個所謂的終止序列向聚合酶發出信號，讓它釋放DNA。彈簧現在可以再次放松，將手柄分開。這使得鏈的起始序列靠近聚合酶，分子復印機可以開始一個新的轉錄過程，然后循環重復。“通過這種方式，我們的納米馬達執行脈沖動作”。

可以作為燃料

這種電機也需要能量，就像任何其他類型的電機。它是由聚合酶產生轉錄本的“字母湯”提供的。這些字母中的每一個(在技術術語中:核苷酸)都有一個由三個磷酸基團組成的小尾巴-三磷酸。為了在現有的句子上附加一個新字母，聚合酶必須去除兩個磷酸基團。這就釋放了能量，可以用來連接字母。“因此，我們的馬達使用三磷酸核苷酸作為燃料，”Famulok說。“只有當有足夠數量的人可用時，它才能繼續運行。”

研究人員能夠證明，馬達可以很容易地與其他結構相結合。這應該使它有可能，例如，在一個表面上徘徊——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:“我們還計劃生產一種離合器，它可以讓我們只在特定時間使用電機的功率，否則就會讓它閑置。”從長遠來看，馬達可能會成為復雜納米機器的心臟。“然而，在我們達到這一階段之前，還有很多工作要做。”

Petr Šulc的實驗室是高度跨學科的，廣泛應用統計物理和計算建模的方法來解決化學，生物學和納米技術的問題。該小組開發了新的多尺度模型來研究生物分子之間的相互作用，特別是在設計和模擬DNA和RNA納米結構和設備的背景下。

“就像我們日常使用的復雜機器——飛機、汽車和電子芯片——需要復雜的計算機輔助設計工具來確保它們執行預期的功能一樣，我們迫切需要在分子科學中使用這些方法。”

分子科學學院院長Tijana Rajh教授說:“Petr Šulc和他的團隊正在進行極具創新性的分子科學研究，他們利用計算化學和物理學的方法在生物學和納米技術的背景下研究DNA和RNA分子。我們分子科學學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是構成生命的基本分子。它們在活細胞中完成許多功能，包括信息存儲和信息傳遞。它們在納米技術領域也有很好的應用，設計好的DNA和RNA鏈被用來組裝納米級的結構和設備。正如?ulc解釋的那樣，“這有點像玩樂高積木，除了每個樂高積木只有幾納米(百萬分之一毫米)大小，而不是把每個積木放在它應該去的地方，你把它們放在一個盒子里，隨機搖晃，直到只有想要的結構出來。”

這個過程被稱為自組裝，?ulc和他的同事使用計算建模和設計軟件來設計構建模塊，這些模塊可以在納米級分辨率下可靠地組裝成人們想要的形狀。

Petr Šulc說:“這一領域的應用前景包括診斷、治療、分子機器人和新材料的制造。”“我的實驗室開發了設計這些模塊的軟件，我們與亞利桑那州立大學以及美國和歐洲其他大學的實驗小組密切合作。“隨著該領域的發展，我們實現了新的先進設計，并成功地在納米尺度上運行，看到我們的方法用于設計和表征越來越復雜的納米結構，這是令人興奮的。”


（文章來源：www.ebiotrade.com/newsf/2023-10）