Elk jaar, robots worden steeds levensechter. Bijen op zonne-energie vliegen op lenige vleugels, humanoïden plakken backflips, en teams van voetbalbots bepalen hoe ze moeten dribbelen, doorgang, en scoren. En, hoe meer onderzoekers ontdekken over hoe levende wezens bewegen, hoe meer machines ze kunnen imiteren tot in de kleinste moleculen.

"We hebben deze geweldige machines al in ons lichaam, en ze werken zo goed "zei Pallav Kosuri. "We weten alleen niet precies hoe ze werken."

Al decenia, onderzoekers hebben manieren gezocht om te bestuderen hoe biologische machines levende wezens aandrijven. Elke mechanische beweging - van het samentrekken van een spier tot het repliceren van DNA - is afhankelijk van moleculaire motoren die kleine, bijna niet-detecteerbare stappen.

Als je ze probeert te zien bewegen, is het alsof je naar een voetbalwedstrijd op de maan probeert te kijken.

Nutsvoorzieningen, in een recente studie gepubliceerd in Natuur , een team van onderzoekers, waaronder Xiaowei Zhuang, de David B. Arnold Professor of Science aan de Harvard University en een Howard Hughes Medical Institute Investigator, en Zhuang Lab postdoctoraal geleerde Pallav Kosuri en Benjamin Altheimer, een doctoraat student aan de Graduate School of Arts and Sciences, legde de eerste geregistreerde rotatiestappen vast van een moleculaire motor terwijl deze van het ene DNA-basenpaar naar het andere bewoog.

In samenwerking met Peng Yin, een professor aan het Wyss Institute en de Harvard Medical School, en zijn afgestudeerde student Mingjie Dai, het team combineerde DNA-origami met zeer nauwkeurige tracking van één molecuul, het creëren van een nieuwe techniek genaamd ORBIT - op origami-rotor gebaseerde beeldvorming en tracking - om naar moleculaire machines in beweging te kijken.

In ons lichaam, sommige moleculaire motoren marcheren dwars door spiercellen, waardoor ze samentrekken. anderen repareren, DNA repliceren of transcriberen:deze DNA-interagerende motoren kunnen een dubbelstrengs helix vastgrijpen en van de ene base naar de volgende klimmen, alsof je een wenteltrap oploopt.

Om deze minimachines in beweging te zien, het team wilde profiteren van de draaiende beweging:ten eerste, ze lijmden de DNA-interagerende motor op een stijve steun. Eenmaal vastgezet, de motor moest de helix draaien om van de ene basis naar de volgende te komen. Dus, als ze konden meten hoe de helix draaide, ze konden bepalen hoe de motor bewoog.

Maar er was nog één probleem:elke keer dat een motor over een basenpaar beweegt, de rotatie verschuift het DNA met een fractie van een nanometer. Die verschuiving is te klein om zelfs met de meest geavanceerde lichtmicroscopen op te lossen.

Twee pennen in de vorm van helikopterpropellers leidden tot een idee om dit probleem op te lossen:een propeller die aan het draaiende DNA was bevestigd, zou met dezelfde snelheid bewegen als de helix en, daarom, de moleculaire motor. Als ze een DNA-helikopter konden bouwen, net groot genoeg om de zwaaiende rotorbladen te visualiseren, ze konden de ongrijpbare beweging van de motor op camera vastleggen.

Om propellers ter grootte van een molecuul te bouwen, Kosuri, Altheimer en Zhuang besloten DNA-origami te gebruiken. Gebruikt om kunst te maken, medicijnen afgeven aan cellen, het immuunsysteem bestuderen, en meer, DNA-origami omvat het manipuleren van strengen om te binden tot mooie, gecompliceerde vormen buiten de traditionele dubbele helix.

"Als je twee complementaire DNA-strengen hebt, ze ritsen dicht, " zei Kosuri. "Dat is wat ze doen." Maar, als een streng wordt gewijzigd om een ​​streng in een andere helix aan te vullen, ze kunnen elkaar vinden en in plaats daarvan dichtritsen, het weven van nieuwe structuren.

Om hun origami-propellers te bouwen, het team wendde zich tot Peng Yin, een pionier op het gebied van origami-technologie. Onder begeleiding van Yin en zijn afgestudeerde student Dai, het team weefde bijna 200 individuele stukjes DNA-fragmenten in een propellerachtige vorm van 160 nanometer lang. Vervolgens, ze bevestigden propellers aan een gewone dubbele helix en voerden het andere uiteinde aan RecBCD, een moleculaire motor die DNA openritst. Toen de motor aan het werk ging, het spinde het DNA, de propeller draaien als een kurkentrekker.

"Niemand had gezien dat dit eiwit het DNA daadwerkelijk roteert omdat het supersnel beweegt, ' zei Kosuri.

De motor kan in minder dan een seconde over honderden bases bewegen. Maar, met hun origami-propellers en een hogesnelheidscamera met duizend beelden per seconde, het team kon eindelijk de snelle draaibewegingen van de motor vastleggen.

"Zoveel kritieke processen in het lichaam hebben betrekking op interacties tussen eiwitten en DNA, " zei Altheimer. Begrijpen hoe deze eiwitten werken - of niet werken - kan helpen bij het beantwoorden van fundamentele biologische vragen over menselijke gezondheid en ziekte.

Het team begon andere soorten DNA-motoren te onderzoeken. Een, RNA-polymerase, beweegt langs DNA om de genetische code te lezen en te transcriberen in RNA. Geïnspireerd door eerder onderzoek, het team theoretiseerde dat deze motor DNA in stappen van 35 graden zou kunnen roteren, overeenkomend met de hoek tussen twee naburige nucleotidebasen.

ORBIT bewees hen gelijk:"Voor de eerste keer, we hebben de rotaties van enkele basenparen kunnen zien die ten grondslag liggen aan DNA-transcriptie, " zei Kosuri. Die roterende stappen zijn, als voorspeld, rond de 35 graden.

Miljoenen zelfassemblerende DNA-propellers passen in slechts één microscoopglaasje, wat betekent dat het team er honderden of zelfs duizenden tegelijk kan bestuderen, met slechts één camera bevestigd aan één microscoop. Op die manier, ze kunnen vergelijken en contrasteren hoe individuele motoren hun werk doen.

"Er zijn geen twee enzymen die identiek zijn, ' zei Kosuri. 'Het is net een dierentuin.'

Het ene motoreiwit kan vooruit springen, terwijl het andere even achteruit klautert. Weer een ander kan op de ene basis langer pauzeren dan op een andere. Het team weet nog niet precies waarom ze bewegen zoals ze doen. Gewapend met ORBIT, ze binnenkort misschien.

ORBIT zou ook de inspiratie kunnen zijn voor nieuwe nanotechnologische ontwerpen die worden aangedreven door biologische energiebronnen zoals ATP. "Wat we hebben gemaakt, is een hybride nanomachine die zowel ontworpen componenten als natuurlijke biologische motoren gebruikt, " zei Kosuri. Op een dag, dergelijke hybride technologie zou de letterlijke basis kunnen zijn voor biologisch geïnspireerde robots.