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几十年来,研究人员一直在寻找研究生物机器如何驱动生物的方法。每一个机械运动——从收缩肌肉到复制DNA——都依赖于能量驱动的分子马达,这些马达会采取微小的、几乎无法检测的步骤。试图看到这些运动就像试图从地球上在月球上观看足球比赛。

现在,在最近的一项研究发表在《自然》的一个研究小组包括小薇壮族,科学教授David b . Arnold Jr。哈佛大学霍华德休斯医学研究所研究员,Pallav Kosuri,博士后学者在壮族的化学和化学生物学实验室,和便雅悯Altheimer,博士生在艺术与科学研究生院,抓住了有记录的第一个分子马达的旋转步骤,因为它从一个DNA碱基对移动到另一个地方。

与彭殷合作,Wyss学院和哈佛医学院教授,和他的研究生明捷戴,团队与高精度单分子DNA折纸跟踪相结合,创建一个新的技术轨道- origami-rotor-based成像和跟踪观察分子机器。

在人类,一些分子马达直接穿过肌肉细胞,导致它们收缩。另一些则修复、复制或转录DNA:这些DNA相互作用的马达可以抓住双螺旋结构,从一个基底爬到另一个基底,就像爬上螺旋楼梯一样。为了观察这些微型机器的运动,研究小组想要利用扭转运动。首先,他们将dna相互作用的马达粘在一个刚性支架上。一旦固定,电机必须旋转螺旋从一个基地到下一个。所以,如果他们能测量螺旋是如何旋转的,他们就能确定马达是如何运动的。

但研究人员面临着一个问题:每当一个马达穿过一个碱基对时,旋转就会使DNA移动几纳米。这种变化太小,即使用最先进的光学显微镜也无法监测。

两支直升机螺旋桨形状的笔激发了一个解决方案的想法:一个固定在旋转DNA上的螺旋桨将以与螺旋结构相同的速度运动,因此,也就是分子马达的速度。如果他们能造出一架DNA直升机,刚好大到可以让摆动的旋翼叶片显现出来,他们就能在摄像机上捕捉到马达难以捉摸的运动。

为了制造分子大小的螺旋桨,Kosuri、Altheimer和Zhuang决定使用DNA折纸技术。DNA折纸技术被用于创造艺术、向细胞输送药物、研究免疫系统,以及其他用途,它包括操纵DNA链,使其在传统的双螺旋结构之外绑定成美丽、复杂的形状。

“如果你有两条互补的DNA链,它们就会闭合,”科苏里说。“他们就是这么做的。“当一根链被改变成另一根链的互补结构时,它们可以找到彼此,然后拉上拉链,编织出新的结构。”

为了建造他们的折纸螺旋桨,研究小组求助于尹,他是折纸技术的先驱。在他和戴的指导下,研究小组将近200个DNA片段编织成一个160纳米长的螺旋桨状。然后,他们将螺旋桨固定在一个规则的双螺旋结构上,并将另一端送入RecBCD,这是一种可以解开DNA的分子马达。当马达开始工作时,它会旋转DNA,像开塞钻一样旋转螺旋桨。

科苏里说:“没有人看到这种蛋白质会使DNA旋转,因为它的移动速度非常快。”

这台电机可以在不到一秒钟的时间里移动数百个基座。但是有了他们的折纸螺旋桨和以每秒1000帧的速度运行的高速摄像机,研究小组终于可以记录下马达的快速旋转运动。

阿尔特海默说:“人体的许多关键过程都涉及蛋白质和DNA之间的相互作用。了解这些蛋白质是如何工作的——或者它们是如何工作的——可能有助于回答有关人类健康和疾病的基本生物学问题。

研究小组开始探索其他类型的DNA马达。一种是RNA聚合酶,它沿着DNA移动,读取并将遗传密码转录成RNA。受之前研究的启发,研究小组推断,这个马达可能会以35度的步骤旋转DNA,与相邻的两个核苷酸碱基之间的角度相对应。

轨道证明了他们是对的。科苏里说:“这是我们第一次能够看到作为DNA转录基础的单碱基对旋转。”正如预测的那样,这些旋转步骤大约是35度。

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数以百万计的自组装DNA螺旋桨可以装进一个显微镜载玻片,这意味着研究小组可以用一个显微镜上的摄像头同时研究数百甚至数千个DNA螺旋桨。这样,他们就可以比较和对比单个发动机的工作性能。

“没有两种酶是相同的,”Kosuri说。“它就像一个动物园。”

一种运动蛋白可能会向前跳跃,而另一种则会暂时向后爬行。然而,另一个人在一个基地停留的时间可能比其他基地都长。团队还不清楚他们为什么会这样移动。有了轨道,他们很快就能做到。

轨道还可以激发新的纳米技术设计,以生物能源为动力,如ATP。科苏里说:“我们制造的是一种混合纳米机器,既使用了设计好的部件,也使用了天然的生物发动机。”总有一天,这种混合技术将成为仿生机器人的真正基础。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/07/harvard-researchers-create-dna-propellers/

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