Физические химики разработали катящийся двигатель на основе ДНК, который в 1000 раз быстрее любого другого синтетического двигателя ДНК, что дает возможность использовать его в реальных условиях, например, для диагностики заболеваний.
В отличие от других синтетических двигателей на основе ДНК, в которых ноги используются для "ходьбы", как крошечные роботы, наши являются первыми двигателями на основе ДНК, что делает их гораздо быстрее и надежнее, - говорит Халид Салайта, химик университета Эмори, который руководил исследованием. "Это как биологический эквивалент изобретения колеса для ДНК-машин."
Скорость нового двигателя на основе ДНК, который питается от рибонуклеазы H, означает, что простой микроскоп смартфона может захватывать движение через видео.
"Наш метод предлагает способ проведения недорогой, низкотехнологичной диагностики в условиях ограниченных ресурсов", - говорит Салайта.
Изучение области применения синтетических двигателей на основе ДНК, также известных как наномаршрутизаторы, насчитывают около 15 лет. Исследователи пытаются дублировать действия нанотуристов. Миозин, например, являются крошечными биологическими механизмами, которые "ходят" по волокнам, перенося питательные вещества по всему телу человека.
"Это высшая точка в научной фантастике", - рассказывает Салайта о стремлении создать крошечных роботов, или нано-ботов, которые можно запрограммировать на выполнение ваших желаний. "Люди мечтали послать наноботов, чтобы доставить лекарства или исправить проблемы в организме человека."
Однако до сих пор усилия человечества не достигли уровня природного миозина, который легко справляется со своими биологическими обязанностями. "Способность миозина преобразовывать химическую энергию в механическую поражает, - говорит Салайта. "Это самые эффективные двигатели из всех, что мы знаем сегодня."
Некоторые синтетические нано-ходоки двигаются на двух ногах. По сути, это ферменты, изготовленные из ДНК, питающиеся катализатором РНК. Эти нано-ходоки, как правило, крайне нестабильны из-за высоких уровней броуновского движения в наномасштабе. Другие версии с четырьмя, а то и шестью ногами оказались более стабильными, но гораздо медленнее. На самом деле, их темп ледниковый: четырехногому двигателю на основе ДНК понадобится около 20 лет для перемещения на один сантиметр.
Кевин Йел, научный сотрудник лаборатории Салаита, придумал создать двигатель на основе ДНК с помощью стеклянной сферы, размером с микрон. Сотни нитей ДНК, или "ног", могут связываться со сферой. Эти ножки ДНК помещаются на стеклянную горку, покрытую реактивом: РНК
Ноги ДНК притягиваются к РНК, но как только они ступают на нее, они разрушают ее через активность фермента под названием RNase H. Поскольку ноги связываются, а затем освобождаются от субстрата, они направляют сферу вдоль, позволяя большему числу ног ДНК оставаться связанными и тянуть.
"Это называется механизм сожжённого моста", - объясняет Салайта. "Где бы ни ступили ноги ДНК, они топчут и уничтожают реактив. Они должны двигаться дальше и идти туда, куда они не ступили, чтобы найти больше реактива".
Сочетание движения качения и скорости фермента RNase H на подложке придает новому двигателю ДНК стабильность и скорость.
"Наш двигатель на основе ДНК может двигаться на один сантиметр за семь дней, вместо 20 лет, что в 1000 раз быстрее, чем старые версии, - говорит Салейта. "На самом деле, природные миозиновые моторы всего в 10 раз быстрее наших, и им понадобились миллиарды лет, чтобы развиваться."
Исследователи продемонстрировали, что их двигатели качения могут быть использованы для обнаружения мутации одной ДНК путем измерения перемещения частиц. Они просто склеили линзы от двух недорогих лазерных указок к камере смартфона, чтобы превратить телефон в микроскоп и снимать видео движения частиц.
"С помощью смартфона мы можем получить показания для всего, что мешает реакции фермент-субстрата, потому что это изменит скорость частиц", - говорит Салайта. "Например, мы можем обнаружить одну мутацию в цепочке ДНК."
Этот простой, низкотехнологичный метод может пригодиться для диагностического зондирования биологических образцов в полевых условиях или в любом другом месте с ограниченными ресурсами.
Доказательство того, что каток двигателя пришел случайно, добавляет Салайта. В ходе экспериментов две стеклянные сферы иногда слипались или затемнялись. Вместо того, чтобы прокладывать бродячую дорожку, они оставили пару прямых параллельных путей по субстрату, как газонокосилка для скашивания травы.
"Это первый пример синтетического молекулярного двигателя, который движется по прямой без колеи или магнитного поля, направляющего его", - говорит Салайта.