DNA折紙與分子馬達(dá)聯(lián)手打造納米級機器

每年，機器人都會越來越像生活。太陽能動力的蜜蜂在柔軟的翅膀上飛翔，人形機器人堅持后空翻，而足球機器人團(tuán)隊則策劃如何運球，傳球和得分。并且，越多的研究人員發(fā)現(xiàn)生物如何移動，機器就可以模仿它們到最小的分子。

“我們的身體已經(jīng)擁有了這些神奇的機器，而且效果非常好，”Pallav Kosuri說。“我們根本不確切知道它們是如何運作的。”

幾十年來，研究人員一直在研究如何研究生物機器如何為生物提供動力。每一次機械運動 - 從收縮肌肉到復(fù)制DNA - 依賴于分子馬達(dá)，這些分子馬達(dá)需要微小的，幾乎無法檢測到的步驟。

試圖看到他們移動就像試圖觀看月球上發(fā)生的足球比賽一樣。

現(xiàn)在，最近在Nature發(fā)表的一項研究中，包括Xiaowei Zhuang，哈佛大學(xué)David B. Arnold科學(xué)教授和Howard Hughes醫(yī)學(xué)研究所研究員，以及壯族實驗室博士后學(xué)者Pallav Kosuri和Benjamin Altheimer博士.D。藝術(shù)與科學(xué)研究生院的學(xué)生在從一個DNA堿基對移動到另一個DNA堿基對時捕獲了分子馬達(dá)的第一個記錄旋轉(zhuǎn)步驟。

與Wyss研究所和哈佛醫(yī)學(xué)院教授Peng Yin及其研究生Mingjie Dai合作，該團(tuán)隊將DNA折紙與高精度單分子跟蹤相結(jié)合，創(chuàng)造了一種名為ORBIT-origami-rotor的新技術(shù)成像和跟蹤 - 觀察運動中的分子機器。

在我們的身體中，一些分子馬達(dá)直接穿過肌肉細(xì)胞，導(dǎo)致它們收縮。其他修復(fù)，復(fù)制或轉(zhuǎn)錄DNA：這些DNA相互作用的馬達(dá)可以抓住雙鏈螺旋并從一個基部攀爬到另一個基部，就像走上螺旋樓梯一樣。

為了看到這些迷你機器的運動，該團(tuán)隊希望利用扭轉(zhuǎn)運動：首先，他們將DNA相互作用的馬達(dá)粘合到剛性支撐上。一旦固定，電機必須旋轉(zhuǎn)螺旋線從一個底座到另一個底座。因此，如果他們可以測量螺旋旋轉(zhuǎn)的方式，他們就可以確定電機的運動方式。

但仍有一個問題：每當(dāng)一個電機移過一個堿基對時，旋轉(zhuǎn)就會使DNA移動幾分之一納米。這種轉(zhuǎn)變太小，即使是最先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡也無法解決。

兩個躺在直升機螺旋槳形狀的筆引發(fā)了解決這個問題的想法：固定在旋轉(zhuǎn)DNA上的螺旋槳將以與螺旋相同的速度運動，因此也就是分子馬達(dá)。如果他們能夠建造一架DNA直升機，只要足夠大以允許擺動的轉(zhuǎn)子葉片可視化，它們就能捕捉到電機在相機上難以捉摸的運動。

為了制造分子大小的螺旋槳，Kosuri，Altheimer和Zhuang決定使用DNA折紙。用于創(chuàng)造藝術(shù)，向細(xì)胞遞送藥物，研究免疫系統(tǒng)等等，DNA折紙包括操縱股線以結(jié)合傳統(tǒng)雙螺旋之外的美麗，復(fù)雜的形狀。

“如果你有兩條互補的DNA鏈，它們會拉上拉鏈，”Kosuri說。“這就是他們所做的。” 但是，如果改變一條鏈以補充不同螺旋中的鏈，它們可以相互找到并拉鏈，編織新的結(jié)構(gòu)。

為了構(gòu)建他們的折紙螺旋槳，團(tuán)隊求助于折紙技術(shù)的先驅(qū)彭寅。在Yin和他的研究生Dai的指導(dǎo)下，該團(tuán)隊將近200個單獨的DNA片段編織成長度為160納米的螺旋槳狀。然后，他們將螺旋槳連接到常規(guī)的雙螺旋上，并將另一端連接到RecBCD，這是一種解壓縮DNA的分子馬達(dá)。當(dāng)電機開始工作時，它會旋轉(zhuǎn)DNA，像螺旋式螺旋槳一樣扭轉(zhuǎn)螺旋槳。

“沒有人看到這種蛋白質(zhì)實際上是在旋轉(zhuǎn)DNA，因為它移動得非?？?，”Kosuri說。

電機可以在不到一秒的時間內(nèi)移動數(shù)百個基座。但是，隨著折紙螺旋槳和高速攝像機以每秒一千幀的速度運行，該團(tuán)隊最終可以記錄電機的快速旋轉(zhuǎn)運動。

“身體中的許多關(guān)鍵過程涉及蛋白質(zhì)和DNA之間的相互作用，”Altheimer說。了解這些蛋白質(zhì)如何起作用或失效 - 可以幫助回答有關(guān)人類健康和疾病的基本生物學(xué)問題。

該團(tuán)隊開始探索其他類型的DNA電機。一種是RNA聚合酶，它沿著DNA移動，讀取并將遺傳密碼轉(zhuǎn)錄成RNA。受先前研究的啟發(fā)，該團(tuán)隊推測該電機可能以35度的步長旋轉(zhuǎn)DNA，對應(yīng)于兩個相鄰核苷酸堿基之間的角度。

奧比特證明他們是正確的：“我們第一次能夠看到單基因?qū)πD(zhuǎn)是DNA轉(zhuǎn)錄的基礎(chǔ)，”Kosuri說。正如預(yù)測的那樣，這些旋轉(zhuǎn)步驟約為35度。

數(shù)以百萬計的自組裝DNA螺旋槳可以裝入一個顯微鏡載玻片，這意味著團(tuán)隊可以使用一臺連接到一臺顯微鏡的相機同時研究數(shù)百甚至數(shù)千個。這樣，他們可以比較和對比各個電機的工作方式。

“沒有兩種酶是相同的，”Kosuri說。“它就像一個動物園。”

一種運動蛋白質(zhì)可能會向前跳躍，而另一種運動蛋白質(zhì)會瞬間向后爬行。還有一個可能會在一個基地停留的時間比任何其他基地都長 團(tuán)隊還不知道他們?yōu)槭裁磿袼麄円粯右苿印Ｓ辛薕RBIT，他們很快就可以。

ORBIT還可以激發(fā)用ATP等生物能源驅(qū)動的新納米技術(shù)設(shè)計。“我們制作的是一種混合納米機器，它使用了設(shè)計組件和天然生物電機，”Kosuri說。有一天，這種混合技術(shù)可能成為生物啟發(fā)機器人的文字基礎(chǔ)。