Tonggak Nanoteknologi: Motor DNA mencapai kecepatan 30 nm/s
Para peneliti memanfaatkan pemahaman mereka tentang motor molekuler untuk meningkatkan nano Motor buatan, yang bertujuan untuk menjembatani kesenjangan kecepatan antara motor buatan dan protein motorik.
Motor DNA-Nanopartikel adalah persis seperti apa mereka: motor buatan kecil yang memanfaatkan struktur DNA Dan RNA untuk menghasilkan gerakan melalui degradasi RNA enzimatik. Secara sederhana, mereka mengubah energi kimia menjadi gerakan mekanis dengan membiaskan gerakan Brown.
Motor ini beroperasi melalui mekanisme yang dikenal sebagai Brownian Ratchet “Burnt-Bridge”. Dalam proses ini, motor bergerak maju saat “membakar” ikatan molekuler (atau “jembatan”) yang ditemui di sepanjang substratnya. Degradasi ini bias gerakan acak, secara efektif mendorong motor dalam satu arah.
Motor DNA-nanopartikel sangat dapat diprogram dan memiliki aplikasi potensial dalam perhitungan molekuler, diagnostik, dan transportasi yang ditargetkan. Namun, mereka tidak memiliki kecepatan dan efisiensi rekan -rekan alami mereka, protein motorik, yang menghadirkan tantangan yang signifikan.
Di sinilah para peneliti masuk untuk menganalisis, mengoptimalkan, dan membangun kembali motor buatan yang lebih cepat menggunakan percobaan pelacakan partikel tunggal dan simulasi kinetik berbasis geometri.
Hottleneck kecepatan
“Protein motorik alami memainkan peran penting dalam proses biologis, dengan kecepatan 10-1000 nm/s. Sampai sekarang, motor molekuler buatan telah berjuang untuk mendekati kecepatan ini, dengan sebagian besar desain konvensional mencapai kurang dari 1 nm/s, ”kata Takanori Harashima, peneliti dan penulis pertama penelitian.
Peneliti menerbitkan karya mereka Komunikasi Alam Pada 16 Januari 2025, menampilkan solusi yang diusulkan untuk masalah kecepatan yang paling mendesak: mengganti botol.
Eksperimen dan simulasi mengungkapkan bahwa pengikatan RNase H adalah hambatan di mana seluruh proses diperlambat. RNase H adalah enzim yang terlibat dalam pemeliharaan genom dan memecah RNA dalam hibrida RNA/DNA dalam motor. Pengikatan RNase H yang lebih lambat terjadi, semakin lama jeda bergerak, yang mengarah pada waktu pemrosesan keseluruhan yang lebih lambat. Dengan meningkatkan konsentrasi RNase H, kecepatan sangat meningkat, menunjukkan penurunan panjang jeda dari 70 detik menjadi sekitar 0,2 detik.
Namun, peningkatan kecepatan motor datang dengan biaya prosestivitas (jumlah langkah sebelum detasemen) dan panjang run (jarak motor berjalan sebelum detasemen). Para peneliti menemukan bahwa trade-off antara kecepatan dan prosestivitas/run-length ini dapat ditingkatkan dengan tingkat hibridisasi DNA/RNA yang lebih besar, membawa kinerja yang disimulasikan lebih dekat dengan protein motorik.
Trade-off dan optimisasi
Motor yang direkayasa, dengan sekuens DNA/RNA yang didesain ulang dan peningkatan 3,8 kali lipat dalam laju hibridisasi, mencapai kecepatan 30 nm/s, 200 prosestivitas, dan panjang run 3 μm. Hasil ini menunjukkan bahwa motor DNA-nanopartikel sekarang sebanding dengan protein motorik dalam kinerja.
“Pada akhirnya, kami bertujuan untuk mengembangkan motor molekuler buatan yang melampaui protein motorik alami dalam kinerja,” kata Harashima. Motor buatan ini dapat sangat berguna dalam perhitungan molekuler berdasarkan gerakan motorik, belum lagi jasa mereka dalam diagnosis infeksi atau molekul terkait penyakit dengan sensitivitas tinggi.
Eksperimen dan simulasi yang dilakukan dalam penelitian ini memberikan pandangan yang menggembirakan untuk masa depan DNA-nanopartikel dan motor buatan terkait dan kemampuan mereka untuk mengukur protein motorik serta aplikasi mereka dalam nanoteknologi.
Referensi: “Rekayasa rasional motor DNA-nanopartikel dengan kecepatan tinggi dan prosestivitas yang sebanding dengan protein motorik” oleh Takanori Harashima, Akihiro Otomo dan Ryota Iino, 16 Januari 2025, Komunikasi Alam.
Doi: 10.1038/s41467-025-56036-0
Takanori Harashima, Akihiro Otomo, dan Ryota Iino dari Institute for Molecular Science di National Institutes of Natural Sciences dan Graduate Institute for Advanced Studies di Sokendai berkontribusi pada penelitian ini.
Pekerjaan ini didukung oleh JSPS Kakenhi, hibah-dalam-bantuan untuk bidang penelitian transformatif (a) (ditawarkan penelitian publik) “Ilmu Material Hierarki Meso” (24H01732) dan “Cybernetics Molekuler” (23H04434), Grant-In-Aid Untuk penelitian ilmiah tentang bidang-bidang inovatif “Mesin Molekuler” (18H05424), Hibah-Bantuan untuk Ilmuwan Karier Awal (23K13645), JST ACT-X “Kehidupan dan Informasi” (MJAX24LE), dan Hibah Penelitian Yayasan Tsugawa untuk FY2023.
