国际团队开发新型DNA纳米引擎
一个国际科学家团队最近开发了一种由 DNA 制成的新型纳米引擎。它由巧妙的机构驱动，可以进行脉冲运动。研究人员现在正计划为其安装一个联轴器，并将其安装为复杂纳米机器中的驱动器。他们的研究结果今天刚刚发表在《自然纳米技术》杂志上。
亚利桑那州立大学分子科学学院和分子设计与仿生学生物设计中心的助理教授 Petr Šulc 与德国波恩大学的 Famulok 教授(项目负责人)和密歇根大学的 Walter 教授合作开展了这项研究项目。
苏尔克使用他的团队的计算机建模工具来深入了解这种板簧纳米发动机的设计和操作。该结构由近 14,000 个核苷酸组成，构成 DNA 的基本结构单元。
“如果没有 oxDNA，我们小组用于设计和设计 DNA 纳米结构的计算机模型，就不可能模拟如此大的纳米结构中的运动，”Šulc 解释道。“ 这是首次成功设计出化学驱动的 DNA 纳米技术电机。我们非常兴奋我们的研究方法可以帮助研究它，并期待未来构建更复杂的纳米设备。”
这种新型发动机类似于握力训练器，经常使用时可以增强您的握力。然而，电机却小了大约一百万倍。两个手柄通过弹簧连接成V形结构。
在握力训练器中，您需要克服弹簧的阻力将手柄挤压在一起。一旦松开手柄，弹簧就会将手柄推回到原来的位置。“我们的电机采用了非常相似的原理，”波恩大学生命与医学科学研究所 (LIMES) 的 Michael Famulok 教授说道。“但手柄不是压在一起的，而是拉在一起的。”
研究人员重新设计了一种机制，没有它地球上就不会有植物或动物。每个单元都配备了某种图书馆。它包含每个细胞执行其功能所需的所有类型蛋白质的蓝图。如果细胞想要产生某种类型的蛋白质，它就会从相应的蓝图中订购一份副本。该转录本由称为 RNA 聚合酶的酶产生。
RNA聚合酶驱动脉冲运动
最初的蓝图由长链 DNA 组成。RNA聚合酶沿着这些链移动并逐个字母地复制存储的信息。“我们采用了 RNA 聚合酶，并将其连接到纳米机器的一个手柄上，”Famulok 解释道，他也是波恩大学“生命与健康”和“物质”跨学科研究领域的成员。“我们还在两个手柄之间拉紧了一条 DNA 链。聚合酶抓住这条链来复制它。它沿着链拉动自己，非转录部分变得越来越小。这会将第二个手柄一点一点地拉向第一个手柄，同时压缩弹簧。”
手柄之间的 DNA 链在其末端附近包含特定的字母序列。这个所谓的终止序列向聚合酶发出信号，表明它应该释放 DNA。弹簧现在可以再次放松并将手柄移开。这使得链的起始序列靠近聚合酶，分子复制器可以开始新的转录过程：然后重复该循环。Famulok 教授领导的研究小组的 Mathias Centola 解释说：“通过这种方式，我们的纳米电机会执行脉冲动作。”Famulok 教授进行了大部分实验。
字母汤作为燃料
就像任何其他类型的电机一样，该电机也需要能量。它是由聚合酶产生转录本的“字母汤”提供的。这些字母(技术术语：核苷酸)中的每一个都有一个由三个磷酸基团(三磷酸盐)组成的小尾巴。为了将新字母附加到现有句子中，聚合酶必须删除其中两个磷酸基团。这会释放能量，可用于将字母连接在一起。“因此，我们的发动机使用三磷酸核苷酸作为燃料，”法穆洛克说。“只有当有足够数量的可用时，它才能继续运行。”
研究人员能够证明该电机可以轻松地与其他结构相结合。例如，这应该使它能够在表面上漫步——类似于尺蠖以自己特有的方式沿着树枝拉动自己。“我们还计划生产一种离合器，使我们能够仅在特定时间利用电机的动力，否则使其闲置，”Famulok 解释道。从长远来看，电机可能成为复杂纳米机器的核心。“但是，在我们达到这个阶段之前，还有很多工作要做。”
苏尔克的实验室是高度跨学科的，广泛地将统计物理和计算建模方法应用于化学、生物学和纳米技术问题。该小组开发了新的多尺度模型来研究生物分子之间的相互作用，特别是在 DNA 和 RNA 纳米结构和设备的设计和模拟背景下。
“正如我们日常使用的复杂机器——飞机、汽车和电子芯片——需要复杂的计算机辅助设计工具来确保它们执行所需的功能一样，分子科学中也迫切需要获得此类方法。 ”
分子科学学院院长 Tijana Rajh 教授表示：“Petr Šulc 和他的团队正在开展极具创新性的分子科学，利用计算化学和物理学的方法在生物学和纳米技术的背景下研究 DNA 和RNA分子。我们分子科学学院的年轻教师取得了非凡的成就，苏尔克教授就是这方面的典范。
生物纳米技术
DNA和RNA是生命的基本分子。它们履行许多功能，包括活细胞中的信息存储和信息传输。它们在纳米技术领域也有广阔的应用前景，其中设计的 DNA 和 RNA 链用于组装纳米级结构和设备。正如 Šulc 解释的那样，“这有点像玩乐高积木，只不过每个乐高积木的大小只有几纳米(百万分之一毫米)，而不是把每个积木放到它应该去的地方，将它们放入盒子中并随机摇晃，直到只出现所需的结构。”
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