作者:徐锐 来源:中国科学报 发布时间:2022/7/25 17:05:43
选择字号:
能做工的DNA 分子马达面世

 

一项7月20日发表于《自然》的研究中,物理学家用DNA链构建了一个分子级马达,并可通过“拧紧”DNA“弹簧”来储存能量。该技术为旨在寻找合成化学和药物递送等领域应用的“DNA折纸术”提供了新技巧。

研究团队成员之一、德国慕尼黑工业大学的生物物理学家Hendrik Dietz指出,这不是第一个以DNA为材料构建的纳米马达,但“肯定是第一个真正能执行可量化机械工作的马达”。

在活细胞中,包括旋转分子马达在内的分子机器随处可见,从细菌鞭毛摆动到产生构成细胞能量储备的ATP分子,都离不开它们。这些分子马达通常为棘轮机构,类似于时钟里的齿轮机构,这使得它们只能朝一个方向旋转。

此外,这些生物机器同活细胞内的其他物质一样进行布朗运动(细胞质中的分子和其他粒子进行的恒定、随机运动),当它们碰撞在一起时,就可以相互传递能量。

Dietz和同事受此启发,想用DNA制造一种可由布朗运动驱动的马达,就像在细胞中那些以蛋白质为材料构成的天然分子马达一样。

他们采用了新的“DNA折纸术”,即将噬菌体的单链DNA环与短链人工合成DNA(可匹配噬菌体基因组中特定位点的碱基序列)混合在一起,短链段与长链结合,使后者折叠成所需的形状。

采用上述方法,Dietz团队用DNA构建了一个三角形的平台,每个平台的中间都有一根“杆子”。他们将上述结构粘贴到玻璃表面,再添加长的DNA旋臂。该旋臂附着在平台上,可以围绕杆旋转。

为了产生棘轮效应,研究人员在平台上设置了凸起,使旋转更加困难。只有布朗运动提供的“碰撞”才能使旋臂克服颠簸并旋转,但通常只能转半圈,而且在没有任何干预的情况下,这种旋转随机进行。

因此,研究小组将两个电极浸入溶液中,并释放交流电。电压的变化改变了DNA旋臂所经历的能量景貌,并通布朗式棘轮机制使其更倾向于朝一个方向旋转。

这就将无源器件变成了真正的马达。显微镜图像表明,在这些条件下,每条旋臂能够平均保持在向同一方向旋转。而具体旋转的方向则取决于三角形底座相对于电极的精确方向。

至此,就其本身而言,这种纳米级马达只不过克服了周围溶液的阻力。为了证明该马达可以做潜在有用的工作,研究人员将另一条DNA链连接到转子上,使其像用于转动机械表齿轮的弹簧一样旋转。这种机制可以帮助纳米机器储存能量或拉动其他机械部件。

相关论文信息:https://doi.org/10.1038/s41586-022-04910-y

 
版权声明:凡本网注明“来源:中国科学报、科学网、科学新闻杂志”的所有作品,网站转载,请在正文上方注明来源和作者,且不得对内容作实质性改动;微信公众号、头条号等新媒体平台,转载请联系授权。邮箱:shouquan@stimes.cn。
 
 打印  发E-mail给: 
    
 
相关新闻 相关论文

图片新闻
“人造太阳”逐日梦 “聚变合肥”加速度 “奋斗者”号到达克马德克海沟最深点
时隔21年,大果五味子野外回归 海上风电与海洋牧场融合发展项目并网发电
>>更多
 
一周新闻排行
 
编辑部推荐博文