科学家们已经开发出了一种基于dna的纳米引擎，它表现出脉冲运动。它模仿了握拍训练器的功能，但体积要小得多，它利用RNA聚合酶来发挥作用，并由三磷酸核苷酸提供动力，在先进的纳米技术应用中具有潜力。
一个国际科学家团队最近开发了一种由DNA制成的新型纳米发动机。它由一个聪明的机构驱动，可以进行脉冲运动。研究人员现在正计划将其安装在一个联轴器上，并将其安装在复杂的纳米机器上作为驱动器。他们的研究结果发表在10月19日的《自然纳米技术》杂志上。
协作努力和使用的工具
彼得?ulc是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，他与德国波恩大学的Famulok教授(项目负责人)和密歇根大学的Walter教授合作完成了这个项目。
?ulc已经使用他的团队的计算机建模工具来深入了解这种叶弹簧纳米发动机的设计和操作。该结构由近14000个核苷酸组成，这些核苷酸构成了DNA的基本结构单位。
“如果没有我们团队用于设计和设计DNA纳米结构的计算机模型oxDNA，就不可能在这么大的纳米结构中模拟运动，”?ulc解释说。“这是化学驱动的DNA纳米马达第一次被成功地设计出来。我们非常兴奋，我们的研究方法可以帮助研究它，并期待在未来构建更复杂的纳米器件。”
来电显示nal比较与机理
这种新型发动机类似于手部握力训练器，经常使用时可以加强握力。然而，马达要小一百万倍。两个手柄通过弹簧连接成v形结构。
叶片弹簧发动机工作原理图设计。来源:亚利桑那州立大学
在握力训练器中，你要顶住弹簧的阻力把两个把手挤在一起。一旦你松开手柄，弹簧就会把手柄推回到原来的位置。“我们的马达使用了非常相似的原理，”波恩大学生命与医学科学(LIMES)研究所的Michael Famulok教授说。“但是把手不是压在一起的，而是拉在一起的。”
研究人员重新设计了一种机制，没有这种机制，地球上就不会有植物和动物。每个牢房都配备了一种图书馆。它包含了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个副本。这种转录物是由一种叫做RNA聚合酶的酶产生的。
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，逐个字母复制存储的信息。“我们将RNA聚合酶附着在纳米机器的一个手柄上，”法穆洛克解释说，他也是波恩大学跨学科研究领域“生命与健康”和“物质”的成员。“在距离很近的情况下，我们还在两个把手之间拉伸了一条DNA链。聚合酶抓住这条链进行复制。它沿着链拉着自己，非转录的部分变得越来越小。这一点一点地将第二个手柄拉向第一个手柄，同时压缩弹簧。”
叶片弹簧纳米发动机在oxDNA模型中的模拟。来源:亚利桑那州立大学
手柄之间的DNA链在其末端前不久包含一个特殊的字母序列。这个所谓的终止序列向聚合酶发出信号，让它释放DNA。弹簧现在可以再次放松，将手柄分开。这使得链的起始序列靠近聚合酶，分子复印机可以开始一个新的转录过程，然后循环重复。“通过这种方式，我们的纳米马达执行脉冲动作，”法穆洛克教授领导的研究小组的马蒂亚斯·森托拉解释说，他进行了大部分实验。
能源与未来展望
这种电机也需要能量，就像任何其他类型的电机。它是由聚合酶产生转录本的“字母汤”提供的。这些字母中的每一个(在技术术语中:核苷酸)都有一个由三个磷酸基团组成的小尾巴-三磷酸。为了在现有的句子上附加一个新字母，聚合酶必须去除两个磷酸基团。这就释放了能量，可以用来连接字母。“因此，我们的马达使用三磷酸核苷酸作为燃料，”Famulok说。“只有当有足够数量的人可用时，它才能继续运行。”
彼得?ulc是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。Credit: Mary Zhu
研究人员能够证明，马达可以很容易地与其他结构相结合。这应该使它有可能，例如，在一个表面上徘徊——类似于一只尺蠖，它以自己特有的方式沿着树枝牵引自己。Famulok解释说:“我们还计划生产一种离合器，它可以让我们只在特定时间使用电机的功率，否则就会让它闲置。”从长远来看，马达可能会成为复杂纳米机器的心脏。“然而，在我们达到这一阶段之前，还有很多工作要做。”
?ulc实验室及其成就:
?ulc的实验室是高度跨学科的，广泛应用统计物理和计算建模的方法来解决化学，生物学和纳米技术的问题。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，特别是在设计和模拟DNA和RNA纳米结构和设备的背景下。
“就像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预期的功能一样，我们迫切需要在分子科学中使用这些方法。”
分子科学学院院长Tijana Rajh教授说:“peter ?ulc和他的团队正在进行极具创新性的分子科学研究，他们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员有着非凡的成就记录，?ulc教授是这方面的典范。
Bio-Nanotechnology
DNA和RNA是构成生命的基本分子。它们在活细胞中完成许多功能，包括信息存储和信息传递。它们在纳米技术领域也有很好的应用，设计好的DNA和RNA链被用来组装纳米级的结构和设备。正如?ulc解释的那样，“这有点像玩乐高积木，除了每个乐高积木只有几纳米(百万分之一毫米)大小，而不是把每个积木放在它应该去的地方，你把它们放在一个盒子里，随机摇晃，直到只有想要的结构出来。”
?ulc说:“这一领域的应用前景包括诊断、治疗、分子机器人和新材料的制造。”“我的实验室开发了设计这些模块的软件，我们与亚利桑那州立大学以及美国和欧洲其他大学的实验小组密切合作。随着该领域的发展，我们实现了新的先进设计，并成功地在纳米尺度上运行，看到我们的方法用于设计和表征越来越复杂的纳米结构，这是令人兴奋的。”
参考资料:“一个有节奏的脉冲叶弹簧dna折纸纳米引擎，驱动被动追随者”，作者:Mathias Centola, Erik Poppleton, Sujay Ray, Martin Centola, Robb Welty, Julián Valero, Nils G. Walter, peter ?ulc和Michael Famulok, 2023年10月19日，Nature Nanotechnology。DOI: 10.1038 / s41565 - 023 - 01516 - x
本研究得到了ERC基金号101040035的支持。
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我是文学号的签约作者“志航”！
希望本篇文章《DNA纳米引擎：未来纳米机器背后的革命性力量》能对你有所帮助！
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