Fysisch chemici hebben een rollende op DNA gebaseerde motor bedacht die 1 is. 000 keer sneller dan elke andere synthetische DNA-motor, waardoor het potentieel heeft voor toepassingen in de echte wereld, zoals ziektediagnostiek. Natuur Nanotechnologie publiceert de bevinding.

"In tegenstelling tot andere synthetische DNA-gebaseerde motoren, die benen gebruiken om te 'lopen' als kleine robots, de onze is de eerste rollende DNA-motor, waardoor het veel sneller en robuuster is, " zegt Khalid Salaita, de chemicus van Emory University die het onderzoek leidde. "Het is als het biologische equivalent van de uitvinding van het wiel voor het veld van DNA-machines."

De snelheid van de nieuwe op DNA gebaseerde motor, die wordt aangedreven door ribonuclease H, betekent dat een eenvoudige smartphonemicroscoop zijn beweging kan vastleggen via video. De onderzoekers hebben een octrooi voor de onthulling van de uitvinding ingediend voor het concept om de deeltjesbeweging van hun rollende moleculaire motor te gebruiken als een sensor voor alles, van een enkele DNA-mutatie in een biologisch monster tot zware metalen in water.

"Onze methode biedt een manier om goedkoop, low-tech diagnostiek in omgevingen met beperkte middelen, ' zegt Salaita.

Het gebied van op synthetische DNA gebaseerde motoren, ook wel nano-walkers genoemd, is ongeveer 15 jaar oud. Onderzoekers streven ernaar de actie van de nano-wandelaars van de natuur te dupliceren. Myosine, bijvoorbeeld, zijn kleine biologische mechanismen die op filamenten "lopen" om voedingsstoffen door het menselijk lichaam te vervoeren.

"Het is het ultieme in sciencefiction, " Salaita zegt over de zoektocht om kleine robots te maken, of nanobots, dat kan worden geprogrammeerd om uw biedingen uit te voeren. "Mensen hebben gedroomd van het sturen van nanobots om medicijnen te leveren of problemen in het menselijk lichaam te herstellen."

Tot dusver, echter, de inspanningen van de mensheid zijn ver achtergebleven bij de myosine van de natuur, die moeiteloos over zijn biologische boodschappen versnelt. "Het vermogen van myosine om chemische energie om te zetten in mechanische energie is verbazingwekkend, " zegt Salaita. "Het zijn de meest efficiënte motoren die we vandaag kennen."

Sommige synthetische nano-walkers bewegen op twee benen. Het zijn in wezen enzymen gemaakt van DNA, aangedreven door de katalysator RNA. Deze nano-walkers zijn meestal extreem onstabiel, vanwege de hoge niveaus van Brownse beweging op nanoschaal. Andere versies met vier, en zelfs zes, benen zijn stabieler gebleken, maar veel langzamer. In feite, hun tempo is ijskoud:een vierpotige op DNA gebaseerde motor zou ongeveer 20 jaar nodig hebben om één centimeter te bewegen.

Kevin Yehl, een postdoctoraal onderzoeker in het Salaita-lab, kwam op het idee om een ​​op DNA gebaseerde motor te bouwen met behulp van een glazen bol ter grootte van een micrometer. Honderden DNA-strengen, of "benen, " mogen aan de bol binden. Deze DNA-pootjes worden op een glasplaatje geplaatst dat is bedekt met de reactant:RNA.

De DNA-pootjes worden naar het RNA getrokken, maar zodra ze er voet op zetten, vernietigen ze het door de activiteit van een enzym genaamd RNase H. Terwijl de benen zich binden en vervolgens loskomen van het substraat, ze leiden de bol langs, waardoor meer van de DNA-poten kunnen blijven binden en trekken.

"Het heet een burnt-bridge-mechanisme, " legt Salaita uit. "Waar de DNA-benen ook stappen, ze vertrappen en vernietigen de reactant. Ze moeten in beweging blijven en stappen waar ze nog niet zijn gestapt om meer reactant te vinden."

De combinatie van de rollende beweging, en de snelheid van het RNase H-enzym op een substraat, geeft de nieuwe DNA-motor zijn stabiliteit en snelheid.

"Onze op DNA gebaseerde motor kan in zeven dagen één centimeter reizen, in plaats van 20 jaar, het maken van 1, 000 keer sneller dan de oudere versies, " zegt Salaita. "In feite, de myosine-motoren van de natuur zijn slechts 10 keer sneller dan de onze, en het kostte hen miljarden jaren om te evolueren."

De onderzoekers toonden aan dat hun rollende motoren kunnen worden gebruikt om een ​​enkele DNA-mutatie te detecteren door deeltjesverplaatsing te meten. Ze plakten eenvoudig lenzen van twee goedkope laserpointers op de camera van een smartphone om de telefoon in een microscoop te veranderen en video's van de deeltjesbeweging vast te leggen.

"Met een smartphone, we kunnen een uitlezing krijgen voor alles wat de enzym-substraatreactie verstoort, omdat dat de snelheid van het deeltje zal veranderen, " zegt Salaita. "Bijvoorbeeld, we kunnen een enkele mutatie in een DNA-streng detecteren."

Deze eenvoudige, low-tech methode kan van pas komen voor diagnostische detectie van biologische monsters in het veld, of waar dan ook met beperkte middelen.

Het bewijs dat de motorrol per ongeluk kwam, voegt Salaita toe. Tijdens hun experimenten, twee van de glazen bollen bleven af ​​en toe aan elkaar plakken, of gedimeriseerd. In plaats van een dwalend pad te maken, ze lieten een paar straight, parallelle sporen over het substraat, als een grasmaaier die gras maait.

"Het is het eerste voorbeeld van een synthetische moleculaire motor die in een rechte lijn gaat zonder een spoor of een magnetisch veld om hem te geleiden, ' zegt Salaita.

Naast Salaita en Yehl, de co-auteurs op de Natuur Nanotechnologie paper omvatten Emory-onderzoekers Skanda Vivek, Yang Liu, Yun Zhang, Erik Weken, Andrew Mugler (die nu aan de Purdue University werkt) en Mengzhen Fan (Oxford University).