Роторный храповой двигатель ДНК-оригами

Nov 05, 2023

Nature, том 607, страницы 492–498 (2022 г.) Процитировать эту статью

41 тыс. доступов

36 цитат

581 Альтметрика

Подробности о метриках

Чтобы придать направленность движению молекулярного механизма, необходимо преодолеть случайные тепловые силы, которые повсеместно распространены в таких малых масштабах и в жидких растворах при температуре окружающей среды. В равновесии без подвода энергии направленное движение не может поддерживаться без нарушения законов термодинамики. В условиях, далеких от термодинамического равновесия, направленное движение может быть достигнуто в рамках броуновских храповых механизмов, которые представляют собой диффузионные механизмы, нарушающие инверсионную симметрию1,2,3,4,5. Считается, что храповик лежит в основе функции многих естественных биологических моторов, таких как F1F0-АТФаза6,7,8, и он был продемонстрирован экспериментально в синтетических микромасштабных системах (например, насколько нам известно, впервые в ссылке 3), а также в искусственных молекулярных двигателях, созданных путем органического химического синтеза9,10,11,12. Нанотехнология ДНК13 позволила создать множество наномеханизмов, включая шарниры, шарниры, кривошипные ползунки и вращающиеся системы14,15,16,17, которые могут принимать различные конфигурации, например, запускаемые реакциями смещения нитей18,19 или изменением параметров окружающей среды, таких как как pH, ионная сила, температура, внешние поля и связывая их движения с движениями естественных моторных белков20,21,22,23,24,25,26. Эта предыдущая работа, а также рассмотрение динамики с низким числом Рейнольдса и присущей ему стохастичности27,28 привели нас к разработке наноразмерного вращающегося двигателя, построенного из ДНК-оригами, который приводится в движение храповым механизмом и чьи механические возможности приближаются к биологическим двигателям, таким как F1F0-АТФаза.

Методами ДНК-оригами29,30 мы спроектировали и изготовили подставку высотой 40 нм и шириной 30 нм, на которой закрепили равностороннюю треугольную платформу с длиной ребер 60 нм и толщиной 13 нм (рис. 1а–в и Дополнительные рисунки 1 и 2). Выступающая через центральную полость треугольной платформы часть постамента содержит площадку для стыковки несущего винта. Место стыковки фиксируется с помощью точки поворота, состоящей из трех неспаренных нуклеотидов, вблизи середины треугольной площадки на пьедестале. Рычаг ротора, в свою очередь, состоит из двух соединенных встык концов жестких стержневых модулей (каждый представляет собой отдельное ДНК-оригами) (рис. 1d,e и дополнительный рис. 3) общей длиной 550 нм. Длина плеча ротора была выбрана для того, чтобы можно было отслеживать изменения угловой ориентации отдельных двигателей в реальном времени с помощью дифракционно-ограниченного флуоресцентного микроскопа и замедлять угловые движения за счет вязкого трения с растворителем, вдохновленными классическими экспериментами Киносита и других, которые показали вращение отдельных меченных F-актином моторов F1-АТФазы8. Стержневые модули состояли из десяти двойных спиралей ДНК, расположенных в виде сотовой решетки (рис. 1г,д). Ранее было показано, что такие спиральные пучки имеют длину персистенции в несколько микрометров31. Таким образом, рычаг ротора можно рассматривать как жесткий, но упругий стержень. Рычаг ротора выступает по обе стороны от точки поворота за пределы треугольной платформы. При такой конструкции рычаг ротора стерически ограничен одноосным вращением вокруг точки поворота в плоскости треугольника. Мы также установили физические препятствия по трем краям треугольной платформы (рис. 1в). Препятствия представляют собой прямоугольные пластины длиной 18 нм, выступающие с наклоном около 50° от поверхности треугольной платформы. Пластины жестко удерживались под этим углом с помощью набора двуспиральных прокладок. Для преодоления препятствий при проходе по треугольной платформе рычаг ротора должен загибаться вверх. Изгиб представляет собой энергетический барьер, который может зажать ротор между препятствиями по принципу Больцмана. Двигатель также включает функциональные модификации, такие как фрагменты биотина и флуоресцентные красители (рис. 1f), позволяющие экспериментально наблюдать за движением отдельных частиц двигателя. Благодаря биотиновым фрагментам статоры могут быть жестко прикреплены к покровным стеклам микроскопа посредством нескольких связей биотин-нейтравидин на каждый статор, а многочисленные флуоресцентные красители на кончиках поворотного рычага позволяют определять его ориентацию с помощью отслеживания центроида32 ​​относительно положения отдельных частей. обозначенная треугольная платформа (рис. 1е).