Via een techniek die bekend staat als DNA-origami, wetenschappers hebben de snelste, meest hardnekkige DNA-nanomotor tot nu toe. Angewandte Chemie de bevindingen gepubliceerd, die een blauwdruk bieden voor het optimaliseren van het ontwerp van motoren op nanoschaal - honderden keren kleiner dan de typische menselijke cel.

"Motoren op nanoschaal hebben een enorm potentieel voor toepassingen in biosensing, bij het bouwen van synthetische cellen en ook voor moleculaire robotica, " zegt Khalid Salaita, een senior auteur van het artikel en een professor in de chemie aan de Emory University. "Met DNA-origami konden we sleutelen aan de structuur van de motor en de ontwerpparameters ontdekken die de eigenschappen ervan bepalen."

De nieuwe DNA-motor is staafvormig en gebruikt RNA-brandstof om aanhoudend in een rechte lijn te rollen, zonder menselijke tussenkomst, met snelheden tot 100 nanometer per minuut. Dat is tot 10 keer sneller dan eerdere DNA-motoren.

Salaita is ook verbonden aan de faculteit van de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering, een gezamenlijk programma van Georgia Institute of Technology en Emory. De paper is een samenwerking tussen het Salaita-lab en Yonggang Ke, assistent-professor aan Emory's School of Medicine en de Wallace H. Coulter Department of Biomedical Engineering.

"Onze gemanipuleerde DNA-motor is snel, "K zegt, "maar we hebben nog een lange weg te gaan om de veelzijdigheid en efficiëntie van de biologische motoren van de natuur te bereiken. het doel is om kunstmatige motoren te maken die passen bij de verfijning en functionaliteit van eiwitten die vracht in cellen verplaatsen en hen in staat stellen verschillende functies uit te voeren."

Dingen maken van DNA, bijgenaamd DNA-origami naar het traditionele Japanse papiervouwambacht, maakt gebruik van de natuurlijke affiniteit voor de DNA-basen A, G, C en T om met elkaar te paren. Door de reeks letters op de strengen te verplaatsen, onderzoekers kunnen de DNA-strengen aan elkaar laten binden op manieren die verschillende vormen creëren. De stijfheid van DNA-origami kan ook gemakkelijk worden aangepast, zodat ze recht blijven als een stuk droge spaghetti of buigen en oprollen als gekookte spaghetti.

Groeiende rekenkracht, en het gebruik van DNA-zelfassemblage voor de genomics-industrie, hebben de afgelopen decennia veel vooruitgang geboekt op het gebied van DNA-origami. Mogelijke toepassingen voor DNA-motoren zijn onder meer apparaten voor medicijnafgifte in de vorm van nanocapsules die opengaan wanneer ze een doellocatie bereiken, nanocomputers en nanorobots die werken aan assemblagelijnen op nanoschaal.

"Deze toepassingen lijken nu misschien sciencefiction, maar ons werk helpt ze dichter bij de realiteit te brengen, " zegt Alisina Bazrafshan, een Emory Ph.D. kandidaat en eerste auteur van het nieuwe artikel.

Een van de grootste uitdagingen van DNA-motoren is het feit dat de regels voor beweging op nanoschaal anders zijn dan die voor objecten die mensen kunnen zien. Apparaten op moleculaire schaal moeten zich een weg banen door een constant spervuur ​​van moleculen. Deze krachten kunnen ervoor zorgen dat zulke kleine apparaten willekeurig afdrijven als stuifmeelkorrels die op het oppervlak van een rivier drijven, een fenomeen dat bekend staat als Brownse beweging.

De viscositeit van vloeistoffen heeft ook een veel grotere impact op zoiets kleins als een molecuul, dus water wordt meer als melasse.

Veel eerdere DNA-motoren "lopen" met een mechanische beweging van been over been. Het probleem is dat tweebenige versies inherent onstabiel zijn. Loopmotoren met meer dan twee benen krijgen meer stabiliteit, maar de extra benen vertragen ze.

De Emory-onderzoekers losten deze problemen op door een staafvormige DNA-motor te ontwerpen die rolt. De staaf, of "chassis" van de motor bestaat uit 16 DNA-strengen die samengebonden zijn in een stapel van vier bij vier om een ​​balk te vormen met vier platte zijden. Zesendertig stukjes DNA steken uit elk vlak van de staaf, als kleine voetjes.

Om zijn beweging te voeden, de motor wordt op een spoor van RNA geplaatst, een nucleïnezuur met basenparen die complementair zijn aan DNA-basenparen. Het RNA trekt aan de DNA-voeten aan één kant van de motor en bindt ze aan het spoor. Een enzym dat zich alleen richt op RNA dat aan DNA is gebonden, vernietigt vervolgens snel het gebonden RNA. Dat zorgt ervoor dat de motor gaat rollen, terwijl de DNA-voeten op de volgende zijde van de motor naar voren worden getrokken door hun aantrekkingskracht op RNA.

De rollende DNA-motor smeedt een aanhoudend pad, dus het blijft in een rechte lijn bewegen, in tegenstelling tot de meer willekeurige beweging van lopende DNA-motoren. De rollende beweging draagt ​​ook bij aan de snelheid van de nieuwe DNA-motor:hij kan binnen twee of drie uur de lengte van een menselijke stamcel afleggen. Eerdere DNA-motoren zouden ongeveer een dag nodig hebben om dezelfde afstand af te leggen, en de meesten missen de volharding om zo ver te komen.

Een van de grootste uitdagingen was het meten van de snelheid van de motor op nanoschaal. Dat probleem werd opgelost door fluorescerende tags aan beide uiteinden van de DNA-motor toe te voegen en de beeldvormingsomstandigheden op een fluorescerende microscoop te optimaliseren.

Door vallen en opstaan, de onderzoekers stelden vast dat een stijve staafvorm optimaal was om in een rechte lijn te bewegen en dat 36 voet op elk vlak van de motor een optimale dichtheid voor snelheid bood.

"We hebben een afstembaar platform geboden voor DNA-origamimotoren die andere onderzoekers kunnen gebruiken om te ontwerpen, testen en optimaliseren van motoren om het veld verder te ontwikkelen, Bazrafshan zegt. "Met ons systeem kun je de effecten van allerlei variabelen testen, zoals de vorm en stijfheid van het chassis en het aantal en de dichtheid van de poten om uw ontwerp te verfijnen."

Bijvoorbeeld, welke variabelen zouden aanleiding geven tot een DNA-motor die in cirkels beweegt? Of een motor die rond barrières draait? Of een die draait als reactie op een bepaald doelwit?

"We hopen dat andere onderzoekers op basis van deze bevindingen met andere creatieve ontwerpen zullen komen, ' zegt Bazrafshan.