Science：雙足DNA分子馬達的協調性布朗運動

引言

工程分子馬達的一個重大挑戰是通過協調馬達的多個區域之間的運動，從而偏向隨機熱運動。對於雙足馬達，大多採取模擬動物腿部運動的形式，以便它們能夠以同步方式移動。生物雙足分子馬達，例如驅動蛋白，肌球蛋白和動力蛋白，都是沿著極性軌道方向的連續線性運動的兩個運動域驅動蛋白之間的協調活動的實例。如何使這種定向運動協調前進是構建分子馬達的主要問題，通過使用化學能作為輸入來使得合成分子馬達實現循環的趨向性布朗運動。 由於DNA的可編程性和結構穩定性，合成DNA運動裝置是探索這些問題的良好途徑。 基準目標是設計和構建受控自主轉運蛋白，例如用於模擬核酸聚合酶或核糖體的合成分子組裝程序。此前的研究局限在當雙足馬達的腿不通信時，其運動是隨機的，並且不會始終受軌道的束縛。由於驅動蛋白等自然系統是以協調運動的分子馬達為基礎的，因此，需要設計允許步移裝置運動域之間的信息反饋的協調機制，來實現分子馬達在設計上更趨近於自然系統的協調性。

成果簡介

2009年，紐約大學化學系Nadrian C. Seeman教授在Science上發表了題為「A Bipedal DNA Brownian Motor with Coordinated Legs」的研究論文。該論文構建了一個自主的DNA雙足步行器（walker），通過循環催化亞穩態DNA燃料鏈的雜交來協調其兩條腿的作用。該過程導致沿著定向極性DNA軌道行走。該過程實現了在線性剛性軌道上完全協調的單向步進循環，從而在DNA軌道上進行自主和定向的分子運動, 證明了這種布朗運動可以在軌道上完成一個完整的步行循環，還可以通過延伸其長度以進行更長時間的行走。這項研究有助於揭示單向裝置設計背後的原則，這些裝置無需人為干預即可自主運行。該裝置具有在納米尺度上進行可控的機械加工的應用潛力。

圖文解析

圖1 （A，B）:該系統由21條DNA鏈組成, DNA walker是中間含有柔性多聚乙烯接頭5"，5"連接,一足為Leg-Even（L-E）,另一足為Leg-Odd（L-O）。 軌道由18條鏈組成，其中4條是亞穩態莖環結構（T1，T2，T3和T4），還有兩個亞穩態髮夾燃料鏈F1和F2。T1和T3上有L-O的立足結合位點及足部保持部位d，T2和T4上有L-E的立足結合位點，燃料吸收站點c和f，用於激活燃料鏈F1和F2的立足點。 e和b為足部釋放部位; 分別釋放助行器足L-O和L-E以及活化燃料分子F1和F2的立足點。（C，D）通過動力學控制這些立足點相互作用，該Walker可以在同時添加燃料鏈F1和F2時自動地從靜止狀態RS-1運動到RS-3的兩步轉變,以及當僅添加F1時從RS-1到RS-2的一步中間轉變。當僅添加F2時沒有發生轉變，並且只有當進一步添加F1時，walker才能從RS-1轉換至RS-3，證明系統對兩種燃料鏈的依賴性。通過將T1上的燃料捕獲位置f和T4上的燃料捕獲位置c改變為僅包含多聚胸苷的區域來實現系統關閉，當T4上的燃料捕獲位置c的序列恢復時，步行器轉換到RS-4，將另外一個F1分子結合到軌道中,從而將L-O移出T3。

圖2 DNA Walker及其軌道的3D模型圖。

圖3 從RS-1過渡到RS-2的八個連續步驟的自主轉換。 步驟1至5描繪了通過T2激活F1和通過F1從T1釋放L-O。 通過保持釋放的足的桿環產生更穩定的雙鏈結構來偏置或糾正助行器的向前運動（步驟5）。然後釋放的足L-O擴散並激活其目標莖環（T3）（步驟7），然後F2開始從T2催化釋放L-E，walker轉換到RS-3以完成循環。 定向偏置雙足walker的關鍵在於圖3中活化燃料鏈如何在空間上受限制以作用於近距離7nm的莖環而不是21nm遠的莖環。

圖4 Walker及其軌道之間通過UV激活的補骨脂素交聯反應。軌道莖環上的補骨脂素共價連接到walker腿上的胸腺嘧啶，形成雙聯體。並使用32P可視化該交聯的雙聯體，在每個實驗中形成（W *，T1 *，T2 *，T3 *和T4 *），它們對於每個靜止狀態（RS-1，RS-2，RS-3和RS-4）是可見的，放射性鏈以紅色表示，而作為交聯複合物一部分的非放射性鏈以藍色表示。所形成產品的組成成分列於每個方框中。圖C顯示了三個walker-stem-loop交聯產品w-t，w-l和w-t-l的變性拓撲結構和尺寸。

圖5 行走周期的放射自顯影分析。非變性凝膠（全部4％）以藍色標出，超變性凝膠（10％）以灰色標出。每種超級變性凝膠中所示的兩種狀態的目標產物被繪製在每種凝膠的左右側。 （A）非變性凝膠，用於驗證五個放射性軌道的形成。 （B）超變性凝膠，在0小時（泳道1至5），然後在1小時後加入F1，顯示步行者在RS-2（泳道6至10）的位置。（C）超變性凝膠，通過添加F1和F2驗證轉變為RS-3（泳道6至10），並且在一小時內沒有添加燃料的過渡（泳道1至5）。 （D）（B）和（C）的非變性凝膠驗證。 （E）複合超變性凝膠，其顯示軌道保持在RS-1中，與F2中反應1小時（泳道1至5），然後當F1加入混合物時轉變為RS-3（泳道6至10）。（F）（E）的非變性凝膠電泳圖。 （G）超變性凝膠，通過添加F1和F2驗證轉變為RS-4（泳道6至10）並驗證系統在一個小時之內沒有添加燃料鏈時保留在RS-1（泳道1至5）。（H）（G）的非變性凝膠驗證。（I）標記凝膠中顯示w-t，w-1和w-t-1產物在超變性凝膠上的位置。

總結與展望

本文提出了一種雙足DNA分子馬達進行協調運動的研究設計，該馬達使用足部協調來實現一種「過河拆橋」式的棘輪型定向雙足運動，由此在行走期間軌道上的立足點被不可逆地消耗。在該系統中，方向性是設計不對稱的結果，這是功能布朗電機的關鍵組成部分。通過軌道上立足點的循環消耗，該機制允許步行器根據軌道上的代碼的存在順序地將燃料髮夾與軌道雜交並且動態地進行動態混合。這種分子馬達的運動能力類似於核糖體，DNA或RNA聚合酶。該研究成果朝著開發更複雜和自主合成分子馬達系統邁出了新的一步。

文獻鏈接

Omabegho T, Sha R, Seeman N C. A bipedal DNA Brownian motor with coordinated legs[J]. Science, 2009, 324(5923): 67-71.

DOI: 10.1126/science.1170336

團隊簡介

Nadrian C. 「Ned」 Seeman，生於1945年12月16日，紐約大學化學系教授，美國納米技術和結晶學家，以開創DNA納米技術領域而聞名。

Seeman在芝加哥大學學習生物化學，在匹茲堡大學學習晶體學。他先在紐約州立大學奧爾巴尼分校擔任教員，並於1988年轉到紐約大學化學系。從20世紀80年代初期開始研究DNA納米技術。1980年秋天，在校園酒吧里，Seeman受到MC Escher木刻深度的啟發，意識到可以用DNA構建三維晶格。他意識到這可以用來定向目標分子，通過消除獲得純晶體的困難過程簡化其晶體學研究。為了實現這一目標，Seeman的實驗室於1991年發表了第一個三維納米尺度物體的合成，這是一個由DNA製成的立方體。這項工作獲得了1995年費曼納米技術獎。Seeman引入的不同雙鏈DNA雜交的概念是DNA摺紙術發展的重要基石。DNA納米技術的概念後來在DNA計算，DNA納米機器人和納米電子的自組裝中得到了進一步的應用。構建三維DNA晶體的目標是Seeman於2009年實現的，這是在他最初闡明這一想法近三十年後實現的。因為開發了前所未有的控制納米尺度物質的方法，他與Donald Eigler分享了2010年納米科學Kavli獎。

課題組主頁：

http://seemanlab4.chem.nyu.edu/

編輯：長心的豐豐彐

審核：LX

推送：BiuBiuBiu

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