Физики создали молекулярный двигатель, полностью состоящий из нитей ДНК, и использовали его для накопления энергии путем накручивания "пружины" ДНК.
Это не первый ДНК-наномотор, но он "определенно первый, который действительно выполняет измеримую механическую работу", - говорит Хендрик Дитц, биофизик из Мюнхенского технического университета в Германии, чья группа сообщила о результатах 20 июля в журнале Nature. Этот метод пополнил растущий список технологий "ДНК-оригами", которые используются для создания структур на молекулярном уровне. Этот подход может найти применение в таких областях, как химический синтез и доставка лекарственных препаратов.
Живые клетки напичканы молекулярными машинами, включая роторные двигатели; они выполняют целый ряд задач, от шевеления жгутика бактерии до производства молекул АТФ, составляющих энергетические запасы клетки. Эти двигатели часто используют храповые механизмы, похожие на зубчатые колеса в часовых механизмах, которые позволяют вращаться в одном направлении, но не в другом. Как и все остальное в клетке, биологические машины постоянно перемещаются в результате броуновского движения - постоянного, случайного движения молекул и других частиц в цитоплазме. Часто, когда частицы сталкиваются друг с другом, они могут передавать друг другу энергию "толчка".
Дитц и его коллеги хотели создать двигатель из ДНК, который мог бы приводиться в движение броуновским движением, подобно белковым механизмам, существующим в клетках. В использованной ими технике ДНК-оригами петли одноцепочечной ДНК вируса-бактериофага смешиваются в растворе с короткими нитями синтетической ДНК; они изготовлены так, чтобы соответствовать нуклеотидным последовательностям определенных участков вирусного генома. Короткие фрагменты связываются с длинными нитями и заставляют их складываться в нужную форму. С тех пор как эта техника была впервые продемонстрирована в 2006 году , исследователи создавали ДНК-оригами все более сложной формы.
Дитц и его коллеги построили из ДНК треугольные платформы, каждая из которых имела стержень, торчащий из середины. Они приклеили эти структуры к стеклянной поверхности и добавили длинные руки ДНК, которые прикрепили к платформам таким образом, чтобы они могли вращаться вокруг стержня. Чтобы создать эффект храповика, исследователи украсили платформы неровностями, которые затрудняли вращение. Только толчки, обеспечиваемые броуновским движением, позволяли манипуляторам преодолевать неровности и поворачиваться, обычно на пол-оборота.
Без дальнейшего вмешательства вращение происходило в случайном порядке. Поэтому команда погрузила в раствор два электрода и пустила электрический ток в переменном направлении. Меняющееся напряжение изменяло энергетический ландшафт, воспринимаемый длинными руками ДНК, и делало вращение в одном направлении более благоприятным, благодаря механизму, известному как мигающий броуновский храповик. Это превратило пассивные устройства в настоящие двигатели. Изображения, полученные с помощью микроскопа, показали, что в этих условиях каждый рукав, хотя и беспорядочно дрожал, в среднем продолжал вращаться в одном и том же направлении. (Направление зависело от точной ориентации треугольного основания по отношению к электродам).
Сам по себе наноразмерный двигатель делает не больше, чем просто преодолевает сопротивление окружающего раствора. "Это похоже на то, как вы плаваете: вы двигаетесь вперед, совершаете большую работу, и она поглощается водой", - говорит Дитц. Но чтобы показать, что он может выполнять и потенциально полезную работу, исследователи предприняли следующий шаг: они прикрепили к ротору еще одну нить ДНК и заставили ее вращаться подобно спиральной пружине, используемой для вращения шестеренок в механических часах. Такой механизм может помочь наномашинам накапливать энергию или притягивать другие механические компоненты, рассказывает Дитц.
"Это выдающееся достижение: во-первых, они смогли спроектировать систему, которая складывается в такую сложную и функциональную структуру с помощью ДНК-оригами, и, во-вторых, они смогли настолько тщательно охарактеризовать ее динамику", - говорит Дэвид Лей, химик из Манчестерского университета, Великобритания. Используя совершенно иной подход, Ли и его группа в этом году продемонстрировали роторный двигатель на атомном уровне, который вращался вокруг одной молекулярной связи.
