行业新闻

黑科技!世界上最小的“DNA纳米引擎”问世!


来源:    作者:    时间:2018/4/17 9:25:35
导读

生物马达是高度复杂的蛋白质组件,可以产生线性或旋转运动,并由化学能源驱动。虽然已经成功设计和组装了基于DNA纳米结构的合成马达,但能够单向旋转的且消耗化学能量的仿生轮式马达还没有研制成功。



日前,Nature出版社旗下顶级子刊《Nature-nanotechnology》发表了一篇重磅文章,一组来自德国Bonn大学等研究机构的科学家团队制备出了一种DNA纳米引擎(nanoengine),这项精妙的分子生物学及工程科学交叉前沿技术能够为生物医学领域治疗疾病带来新的启迪。



鬼斧神工的大自然为我们人类提供了几种高效生物马达的范例,这些生物马达依靠消耗机体内的化学能产生相应的动力。生物体需要生物马达来实现如货物运输、细胞运动和分裂、趋化性和ATP合成等基本生物功能。 尽管大多数天然马达机制复杂,但通过采用DNA纳米结构或生物杂合体可以完成设计和装配人造生物引擎系统。 然而,目前除了合成小分子马达,还没有依靠消耗化学能的转子 - 定子单元的单向旋转仿生轮马达的报道。


原子显微镜下的DNA纳米引擎


我们都知道发动机的核心部件包括定子和转子。科研人员首先利用环状的质粒作为整个生物引擎的转子,然后采用一个能够与特定的DNA序列稳定结合的锌指蛋白质Zif268(ZIF)来结合到“定子质粒”上面;另一方面,采用另一种能够与特定DNA序列结合的蛋白酶:T7 RNA多聚酶(T7-RNAP),与“转子质粒”结合,并且T7-RNAP和Zif268之间也用一定长度的氨基酸链连接起来。


纳米引擎的构造原理


当提供ATP的情况下,T7-RNAP能够沿着DNA序列“爬行”,然而它的另一端又被固定在“定子”上面,因此,随着它在圆形DNA质粒上面“爬行”,此时这个“转子”质粒就开始转动起来。同时研究者们利用DNA折叠技术制备出专供这种DNA纳米引擎运动的“纳米轨道”,这样一来,DNA纳米引擎就可以在这种专用轨道前进。


DNA纳米引擎沿着预设的“轨道”前进


科研人员预见未来纳米发动机的进一步优化将围绕提高运转效率、速度和持续合成能力为主,目标使接近天然蛋白质发动机。 该纳米发动机结合了众多功能,预计这些功能将有助于创建能够执行更复杂任务的纳米机器人。这种纳米分子马达未来将应用于医学和生物学的各个领域,例如,靶向投放抗癌药物等。


参考文献

Julián Valero,Nibedita Pal, Soma Dhakal, Nils G. Walter、Michael Famulok. A bio-hybrid DNA rotor–stator nanoengine that moves along predefined tracks