微小的人造马达利用DNA和RNA的结构，通过酶促 RNA 降解产生运动。 简单地说，它们通过偏布朗运动将化学能转化为机械运动。研究人员利用他们对分子马达的理解来改进纳米级人造马达，旨在缩小人造马达和马达蛋白之间的速度差距。
DNA 纳米粒子马达能与马达蛋白一起加速吗？ 图片来源：插图：Takanori Harashima
这些电机通过一种被称为"烧桥"布朗棘轮的机制运行。 在这一过程中，马达在"烧毁"沿其基质遇到的分子键（或"桥"）时向前运动。 这种降解会使随机运动产生偏差，从而有效地推动电机朝一个方向运动。
DNA 纳米粒子马达具有很强的可编程性，在分子计算、诊断和定向运输方面具有潜在的应用前景。 然而，它们在速度和效率上都无法与自然界中的马达蛋白相提并论，这就带来了巨大的挑战。
这正是研究人员利用单粒子跟踪实验和基于几何的动力学模拟来分析、优化和重建速度更快的人工马达的用武之地。
"天然马达蛋白在生物过程中发挥着至关重要的作用，其速度可达 10-1000 nm/s。 到目前为止，人工分子马达还难以达到这样的速度，大多数传统设计的速度还不到 1 nm/s，"该研究的第一作者、研究员 Takanori Harashima 说。
研究人员于 2025 年 1 月 16 日在Nature Communications上发表了他们的研究成果，提出了解决最紧迫的速度问题的方案：转换瓶颈。
实验和模拟显示，RNase H 的结合是整个过程变慢的瓶颈。 RNase H 是一种参与基因组维护的酶，能分解电机中 RNA/DNA 杂交体中的 RNA。 RNase H 的结合速度越慢，运动停顿的时间就越长，从而导致整体处理时间变慢。 通过增加 RNase H 的浓度，速度明显提高，停顿时间从 70 秒减少到 0.2 秒左右。
然而，电机速度的提高是以过程性（脱离前的步数）和运行长度（电机在脱离前的运行距离）为代价的。 研究人员发现，可以通过提高DNA/RNA杂交率来改善速度与处理能力/运行长度之间的权衡，使模拟性能更接近马达蛋白质的性能。
重新设计的 DNA/RNA 序列和杂交率提高了 3.8 倍的工程电机实现了 30 纳米/秒的速度、200 加工率和 3 微米的运行长度。 这些结果表明，DNA 纳米粒子马达的性能已可与马达蛋白质相媲美。
Harashima说："最终，我们的目标是开发出性能超越天然马达蛋白的人工分子马达。 这些人工分子马达在基于马达运动的分子计算方面非常有用，更不用说它们在高灵敏度诊断感染或疾病相关分子方面的优点了。"
本研究中的实验和模拟为 DNA 纳米粒子和相关人工马达的未来及其测量马达蛋白的能力以及在纳米技术中的应用提供了令人鼓舞的前景。
编译自/ScitechDaily