《Nature》重磅！德國人製造出世界上最小的DNA納米發動機引擎！

儘管全世界每年都要發表大量的研究結果，但是，要從浩如煙海的發表成果中找到一點新鮮的、有點創意的、與眾不同的、有點意思的東西還真的並不如想像般容易！

現代社會對科學家的論文指標量化評估體系早就讓大多數研究者們遺忘了在科學世界中找到哪怕丁點兒興趣的初心。要不怎麼說科學家比其他群體更需要童年的好奇心呢？

當然，這裡扯得太遠了。今天要介紹的這篇研究似乎還是有點意思，值得觀看一下。

話說德國人製造的機械設備確實在全球都享有較大的聲譽，比如滿大街跑的汽車這種機器，其三大汽車製造品牌更是充斥在我國的大街小巷。

當然，這其中的關鍵還在於德國人能夠製造優異耐用的號稱汽車心臟的發動機引擎，從而贏得了消費者的信賴。

如今，一組來自德國波恩大學的科學家團隊又來搗鼓上了世界上最小的引擎-只能在顯微鏡下才能夠看見。

研究者們在著名期刊《自然-納米技術》上面發表的文章（圖片來自Nature）

日前，Nature出版社旗下頂級子刊《自然-納米技術》（IF：39）發表了一篇重磅文章，一組來自德國波恩大學（ University of Bonn）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。

這篇文章的通訊作者Michael Famulok教授（左）以及第一作者Julián Valero博士（右）

人類需要新的驅動引擎

人類的發展歷史從動力角度來看，可以濃縮成一部驅動力發展的影片了。而人類累積財富的過程則可以看做是驅動引擎不斷更替的過程。

古人驅動這個世界靠的是人力和馴化的動物，比如牛、馬、驢。

近代社會則出現了依靠化石燃料的蒸汽機和內燃機，於是，人類社會又靠內燃機引擎來驅動，創造出了無盡的財富，並且直到現在都還佔據著主要地位，比如汽車、一些大型工程設備、輪船、飛機等等。

然而，化石燃料也有枯竭的一天，並且，最關鍵的是，產生的環境污染早已經讓地球不堪重負，而污染帶來的危害健康的問題早已經凸顯。

因此，人類需要新的驅動引擎，而這其中，靠電力驅動的電動機則是目前的一個非常合適的方案。

電動汽車擁有如同遙控玩具車一般的極其簡單的構造（左），便於大規模模塊化生產，其驅動力則來自於電機，而電機能夠提供扭力或者說動力的關鍵部件就是轉子和定子（右）

而電動機必不可少的部件就是稱作「轉子」（rotor）和「定子」（stator）的部件了。定子顧名思義，是電動機靜止不動的部分，其由定子鐵芯、定子繞組和機座三部分組成，主要作用是產生旋轉磁場。而轉子顧名思義就是轉動的部分，主要作用是在旋轉磁場中被磁力線切割進而產生（輸出）電流。

簡單說來，就是，定子就是固定的，轉子就是轉動的。

最小的引擎

這一組來自德國波恩大學、位於德國波恩的Caesar研究所等機構的科學家團隊也正是採用了轉子和定子的概念，利用環狀的DNA來製備微小的納米引擎。

研究者們製備的DNA納米引擎的想像模式圖，絕佳地闡釋了這項巧妙的技術；其中，圖中具有兩個環狀的質粒DNA，一個作為定子（stator）固定（圖中豎立的環狀DNA；另一個在黃色線頭和線條（實際上是酶以及RNA鏈）的驅動下進行旋轉，作為轉子（rotor）（圖中橫向的正在旋轉的環狀DNA）（圖片來自 Julián Valero/caesar Bonn）

研究者們怎麼設計這個世界上最小的「引擎」的呢？

簡單說來，就是直接把兩個圓環交叉扣在一起，就像西遊記中哪吒三太子脖子上掛的金圈圈，把兩個金圓圈交叉在一起，當然，也可以想像成奧運會五連環標誌的交叉連接方式；然後，固定其中一個圓環（作為定子，叫做stator ring），而另一個圓環能夠在一定條件下轉動起來（作為轉子，叫做rotor ring）。

只不過這裡，研究者們把這兩個圓環換成了一種叫做質粒的環狀DNA。

稍微有點分子生物學知識的朋友們都能夠明白，質粒（plasmid）DNA就是環狀的（儘管質粒在正常情況下往往處於超螺旋狀態，並非呈現圓形，然而，在這裡可以看成是圓形的），通過常規的分子生物學操作手段就可以把兩個環狀圓形的質粒構建成為交叉狀態。

構建兩個交叉環狀質粒DNA的過程模式圖，這裡必須要注意圓環上面的幾個帶有顏色的關鍵部件（圖片來自Nature）

製備好了這種兩個交叉的圓環即轉子和定子之後，可以想像成就如同製備好了自行車的兩個輪胎，那麼，怎麼才能夠讓這輛自行車運動起來呢？

這就還需要另一個關鍵部件，這就如同自行車上面鏈接兩個圓形輪胎的支架和鏈條，否則，僅有兩個輪胎怎麼運動呢？這裡亦是如此，僅有兩個交叉的圓形DNA質粒，怎麼能夠轉動起來做得了引擎呢？

似乎還缺一樣東西

因此，還需要另外一個關鍵部件，一方面來固定這個定子質粒，另一方面來驅動這個轉子質粒。

所以，研究者們就巧妙地設計了這樣的元件，其中，採用一個能夠與特定的DNA序列穩定結合的蛋白質Zif268（一種鋅指蛋白，簡稱ZIF）來結合到「定子質粒」（stator ring）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 RNA polymerase，簡稱T7-RNAP），與「轉子質粒」（rotor ring）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（整個過程如下圖所示）。

這是整個DNA納米引擎的原理示意圖，「兩個車輪」和「支架」結合在一起，就形成了一部完整的能夠跑動的「自行車」（圖片來自Nature）

這樣一來，T7-RNAP-Zif268這個元件就如同自行車的支架，能夠將兩個圓形輪胎組合在一起形成自行車。

這裡不得不說，最巧妙的地方就是研究者們採用了T7 RNA多聚酶，這個酶不光是在最開始的時候能夠與特定的DNA序列結合，更加關鍵的是，它能夠從最初所在的DNA序列位置開始，在提供能量比如ATP的情況下，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」，這個「轉子」質粒就開始轉動起來了！

左邊是DNA納米引擎的模式圖，右邊是研究者們採用原子力顯微鏡觀察到的真實情況下的納米引擎的形態，其長度約為30納米左右（圖片改編自Nature）

這裡還必須注意圓環質粒上面的帶有顏色的序列，其中定子（stator ring）上面的藍色序列為Zif268結合的位置，而轉子（rotor）上面的紅色序列為T7啟動子（T7 Promotor），是T7-RNAP最初結合的地方；而上面的綠色序列則是一段表達特定的RNA序列的位置，一旦這段序列被T7多聚酶轉錄成RNA，溶液中的特殊試劑就能夠檢測到這段RNA序列，然後發出綠色光；這樣一來，只要檢測到綠色光，就能夠知道這個引擎在開始工作了。

發動引擎

既然製備好了全世界最小的引擎，那麼，就來發動一下試試，看能不能動起來。

當然，如同高鐵列車要開動起來的話就必須要先鋪設鐵路、建設車站一樣，研究者們將也利用DNA摺紙（DNA Origami）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道路上面行進了。

DNA納米引擎運動的模式圖

那麼，在原子力顯微鏡下的真實狀況如何呢？

研究者們進行了觀察，發現，製備的DNA納米引擎確實能夠在特定的道路上面行走。

原子力顯微鏡下的DNA納米引擎在納米管道上面行走的圖像；左邊顯示最開始的時候，相當於高鐵列車停在各個站點的情況（圖中的白色亮點為DNA納米引擎，黃色為DNA摺紙納米管道）；中間和右邊（放大）顯示DNA納米引擎行走到納米管道的其他位置的情形（圖片改編自Nature）

因此，研究者們製備的DNA納米引擎確實能夠在特定的道路上面運動。

並且，研究者們在測試中顯示，DNA納米引擎行走了240個納米！

「這只是第一次行走！」文章的通訊作者Famulok教授說到，「只要我們願意，它行走的長度還可以增加。」

研究者們將在未來不但要增加這種DNA納米引擎的行走長度，而且還將設計更加複雜的挑戰，比如，DNA納米引擎將會自動選擇走哪條道路。

「我們將開發方法來預測DNA納米引擎會往哪個方向行走，」第一作者Valero博士補充道。

「這是基礎研究」Famulok教授說到，「現在還很難判斷未來會向哪裡發展。」然而，Famulok教授團隊將會在未來設計更加複雜的DNA納米引擎。這項研究可能會在分子計算機方面以及精確藥物運輸方面提供新的思路。

參考資料：

1. A bio-hybrid DNA rotor–stator nanoenginethat moves along predefined tracks.2018.

2.https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/uob-tns040918.php

3.https://idw-online.de/de/news692092

4.轉化醫學平台整合

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比心心

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