黑科技！世界上最小的「DNA納米引擎」問世！

新聞 04-17

乾貨 | 靠譜 | 實用

導讀

生物馬達是高度複雜的蛋白質組件，可以產生線性或旋轉運動，並由化學能源驅動。雖然已經成功設計和組裝了基於DNA納米結構的合成馬達，但能夠單向旋轉的且消耗化學能量的仿生輪式馬達還沒有研製成功。

日前，Nature出版社旗下頂級子刊《Nature-nanotechnology》發表了一篇重磅文章，一組來自德國Bonn大學等研究機構的科學家團隊製備出了一種DNA納米引擎（nanoengine），這項精妙的分子生物學及工程科學交叉前沿技術能夠為生物醫學領域治療疾病帶來新的啟迪。

鬼斧神工的大自然為我們人類提供了幾種高效生物馬達的範例，這些生物馬達依靠消耗機體內的化學能產生相應的動力。生物體需要生物馬達來實現如貨物運輸、細胞運動和分裂、趨化性和ATP合成等基本生物功能。儘管大多數天然馬達機制複雜，但通過採用DNA納米結構或生物雜合體可以完成設計和裝配人造生物引擎系統。然而，目前除了合成小分子馬達，還沒有依靠消耗化學能的轉子 - 定子單元的單向旋轉仿生輪馬達的報道。

原子顯微鏡下的DNA納米引擎

我們都知道發動機的核心部件包括定子和轉子。科研人員首先利用環狀的質粒作為整個生物引擎的轉子，然後採用一個能夠與特定的DNA序列穩定結合的鋅指蛋白質Zif268（ZIF）來結合到「定子質粒」上面；另一方面，採用另一種能夠與特定DNA序列結合的蛋白酶：T7 RNA多聚酶（T7-RNAP），與「轉子質粒」結合，並且T7-RNAP和Zif268之間也用一定長度的氨基酸鏈連接起來。

納米引擎的構造原理

當提供ATP的情況下，T7-RNAP能夠沿著DNA序列「爬行」，然而它的另一端又被固定在「定子」上面，因此，隨著它在圓形DNA質粒上面「爬行」，此時這個「轉子」質粒就開始轉動起來。同時研究者們利用DNA摺疊技術製備出專供這種DNA納米引擎運動的「納米軌道」，這樣一來，DNA納米引擎就可以在這種專用軌道前進。

DNA納米引擎沿著預設的「軌道」前進

科研人員預見未來納米發動機的進一步優化將圍繞提高運轉效率、速度和持續合成能力為主，目標使接近天然蛋白質發動機。該納米發動機結合了眾多功能，預計這些功能將有助於創建能夠執行更複雜任務的納米機器人。這種納米分子馬達未來將應用於醫學和生物學的各個領域，例如，靶向投放抗癌藥物等。

參考文獻

Julián Valero，Nibedita Pal, Soma Dhakal, Nils G. Walter、Michael Famulok. A bio-hybrid DNA rotor–stator nanoengine that moves along predefined tracks

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