DNA折纸与分子马达联手打造纳米级机器

每年，机器人都会越来越像生活。太阳能动力的蜜蜂在柔软的翅膀上飞翔，人形机器人坚持后空翻，而足球机器人团队则策划如何运球，传球和得分。并且，越多的研究人员发现生物如何移动，机器就可以模仿它们到最小的分子。

“我们的身体已经拥有了这些神奇的机器，而且效果非常好，”Pallav Kosuri说。“我们根本不确切知道它们是如何运作的。”

几十年来，研究人员一直在研究如何研究生物机器如何为生物提供动力。每一次机械运动 - 从收缩肌肉到复制DNA - 依赖于分子马达，这些分子马达需要微小的，几乎无法检测到的步骤。

试图看到他们移动就像试图观看月球上发生的足球比赛一样。

现在，最近在Nature发表的一项研究中，包括Xiaowei Zhuang，哈佛大学David B. Arnold科学教授和Howard Hughes医学研究所研究员，以及壮族实验室博士后学者Pallav Kosuri和Benjamin Altheimer博士.D。艺术与科学研究生院的学生在从一个DNA碱基对移动到另一个DNA碱基对时捕获了分子马达的第一个记录旋转步骤。

与Wyss研究所和哈佛医学院教授Peng Yin及其研究生Mingjie Dai合作，该团队将DNA折纸与高精度单分子跟踪相结合，创造了一种名为ORBIT-origami-rotor的新技术成像和跟踪 - 观察运动中的分子机器。

在我们的身体中，一些分子马达直接穿过肌肉细胞，导致它们收缩。其他修复，复制或转录DNA：这些DNA相互作用的马达可以抓住双链螺旋并从一个基部攀爬到另一个基部，就像走上螺旋楼梯一样。

为了看到这些迷你机器的运动，该团队希望利用扭转运动：首先，他们将DNA相互作用的马达粘合到刚性支撑上。一旦固定，电机必须旋转螺旋线从一个底座到另一个底座。因此，如果他们可以测量螺旋旋转的方式，他们就可以确定电机的运动方式。

但仍有一个问题：每当一个电机移过一个碱基对时，旋转就会使DNA移动几分之一纳米。这种转变太小，即使是最先进的光学显微镜也无法解决。

两个躺在直升机螺旋桨形状的笔引发了解决这个问题的想法：固定在旋转DNA上的螺旋桨将以与螺旋相同的速度运动，因此也就是分子马达。如果他们能够建造一架DNA直升机，只要足够大以允许摆动的转子叶片可视化，它们就能捕捉到电机在相机上难以捉摸的运动。

为了制造分子大小的螺旋桨，Kosuri，Altheimer和Zhuang决定使用DNA折纸。用于创造艺术，向细胞递送药物，研究免疫系统等等，DNA折纸包括操纵股线以结合传统双螺旋之外的美丽，复杂的形状。

“如果你有两条互补的DNA链，它们会拉上拉链，”Kosuri说。“这就是他们所做的。” 但是，如果改变一条链以补充不同螺旋中的链，它们可以相互找到并拉链，编织新的结构。

为了构建他们的折纸螺旋桨，团队求助于折纸技术的先驱彭寅。在Yin和他的研究生Dai的指导下，该团队将近200个单独的DNA片段编织成长度为160纳米的螺旋桨状。然后，他们将螺旋桨连接到常规的双螺旋上，并将另一端连接到RecBCD，这是一种解压缩DNA的分子马达。当电机开始工作时，它会旋转DNA，像螺旋式螺旋桨一样扭转螺旋桨。

“没有人看到这种蛋白质实际上是在旋转DNA，因为它移动得非常快，”Kosuri说。

电机可以在不到一秒的时间内移动数百个基座。但是，随着折纸螺旋桨和高速摄像机以每秒一千帧的速度运行，该团队最终可以记录电机的快速旋转运动。

“身体中的许多关键过程涉及蛋白质和DNA之间的相互作用，”Altheimer说。了解这些蛋白质如何起作用或失效 - 可以帮助回答有关人类健康和疾病的基本生物学问题。

该团队开始探索其他类型的DNA电机。一种是RNA聚合酶，它沿着DNA移动，读取并将遗传密码转录成RNA。受先前研究的启发，该团队推测该电机可能以35度的步长旋转DNA，对应于两个相邻核苷酸碱基之间的角度。

奥比特证明他们是正确的：“我们第一次能够看到单基因对旋转是DNA转录的基础，”Kosuri说。正如预测的那样，这些旋转步骤约为35度。

数以百万计的自组装DNA螺旋桨可以装入一个显微镜载玻片，这意味着团队可以使用一台连接到一台显微镜的相机同时研究数百甚至数千个。这样，他们可以比较和对比各个电机的工作方式。

“没有两种酶是相同的，”Kosuri说。“它就像一个动物园。”

一种运动蛋白质可能会向前跳跃，而另一种运动蛋白质会瞬间向后爬行。还有一个可能会在一个基地停留的时间比任何其他基地都长 团队还不知道他们为什么会像他们一样移动。有了ORBIT，他们很快就可以。

ORBIT还可以激发用ATP等生物能源驱动的新纳米技术设计。“我们制作的是一种混合纳米机器，它使用了设计组件和天然生物电机，”Kosuri说。有一天，这种混合技术可能成为生物启发机器人的文字基础。