Internationaal team ontwikkelt nieuwe DNA-nano-engine

Een internationaal team van wetenschappers heeft onlangs een nieuw type nanomotor ontwikkeld, gemaakt van DNA. Hij wordt aangedreven door een slim mechanisme en kan pulserende bewegingen uitvoeren. De onderzoekers zijn nu van plan om hem te voorzien van een koppeling en als aandrijving in complexe nanomachines te installeren. Hun resultaten zijn gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie.

Petr Šulc, assistent-professor aan de School of Molecular Sciences van de Arizona State University en het Biodesign Center for Molecular Design and Biomimetics, heeft hiervoor samengewerkt met professor Famulok (projectleider) van de Universiteit van Bonn, Duitsland en professor Walter van de Universiteit van Michigan. project.

Šulc heeft de computermodelleringstools van zijn groep gebruikt om inzicht te krijgen in het ontwerp en de werking van deze bladveer-nanomotor. De structuur bestaat uit bijna 14.000 nucleotiden, die de structurele basiseenheden van DNA vormen.

“Het zou onmogelijk zijn om beweging in zo’n grote nanostructuur te simuleren zonder oxDNA, het computermodel dat onze groep gebruikt voor het ontwerpen en ontwerpen van DNA-nanostructuren”, legt Šulc uit. “Het is de eerste keer dat een chemisch aangedreven DNA-nanotechnologiemotor met succes is ontwikkeld. We zijn erg enthousiast dat onze onderzoeksmethoden kunnen helpen bij het bestuderen ervan, en kijken ernaar uit om in de toekomst nog complexere nanoapparaten te bouwen.”

Dit nieuwe type motor is vergelijkbaar met een handgreepkrachttrainer die bij regelmatig gebruik uw grip versterkt. De motor is echter ongeveer een miljoen keer kleiner. Twee handgrepen zijn verbonden door een veer in een V-vormige structuur.

Bij een handgreepkrachttrainer knijp je de handvatten tegen de weerstand van de veer in. Zodra u uw greep loslaat, duwt de veer de handgrepen terug naar hun oorspronkelijke positie. “Onze motor gebruikt een zeer vergelijkbaar principe”, zegt professor Michael Famulok van het Life and Medical Sciences (LIMES) Instituut van de Universiteit van Bonn. “Maar de handvatten worden niet tegen elkaar gedrukt, maar samengetrokken.”

De onderzoekers hebben een mechanisme opnieuw ontworpen zonder welke er geen planten of dieren op aarde zouden zijn. Elke cel is uitgerust met een soort bibliotheek. Het bevat de blauwdrukken voor alle soorten eiwitten die elke cel nodig heeft om zijn functie te vervullen. Als de cel een bepaald type eiwit wil produceren, bestelt hij een kopie van de betreffende blauwdruk. Dit transcript wordt geproduceerd door de enzymen die RNA-polymerasen worden genoemd.

RNA-polymerasen sturen de pulserende bewegingen aan

De originele blauwdruk bestaat uit lange DNA-strengen. De RNA-polymerasen bewegen zich langs deze strengen en kopiëren de opgeslagen informatie letter voor letter.

“We hebben een RNA-polymerase genomen en deze aan een van de handvatten van onze nanomachine bevestigd”, legt Famulok uit, die ook lid is van de transdisciplinaire onderzoeksgebieden “Life & Health” en “Matter” aan de Universiteit van Bonn.

“In de nabijheid hebben we ook een DNA-streng tussen de twee handvatten gespannen. Het polymerase grijpt zich vast aan deze streng om deze te kopiëren. Het trekt zichzelf langs de streng en het niet-getranscribeerde gedeelte wordt steeds kleiner. Hierdoor wordt het tweede handvat beetje bij beetje getrokken beet richting de eerste en drukte tegelijkertijd de veer samen.”

De DNA-streng tussen de handvatten bevat kort voor het einde een bepaalde reeks letters. Deze zogenaamde terminatiesequentie geeft aan het polymerase het signaal dat het het DNA moet loslaten. De veer kan nu weer ontspannen en beweegt de handgrepen uit elkaar. Hierdoor komt de startsequentie van de streng dicht bij het polymerase en kan de moleculaire kopieermachine een nieuw transcriptieproces starten: de cyclus herhaalt zich dan.

“Op deze manier voert onze nanomotor een pulserende actie uit”, legt Mathias Centola van de onderzoeksgroep onder leiding van professor Famulok uit, die een groot deel van de experimenten uitvoerde.

Een alfabetsoep dient als brandstof

Ook deze motor heeft net als ieder ander type motor energie nodig. Het wordt geleverd door de “alfabetsoep” waaruit het polymerase de transcripten produceert. Elk van deze letters (in technische terminologie: nucleotiden) heeft een kleine staart die bestaat uit drie fosfaatgroepen: een trifosfaat.

Om een ​​nieuwe letter aan een bestaande zin te kunnen koppelen, moet het polymerase twee van deze fosfaatgroepen verwijderen. Hierbij komt energie vrij die hij kan gebruiken om de letters met elkaar te verbinden. “Onze motor gebruikt dus nucleotidetrifosfaten als brandstof”, zegt Famulok. “Het kan alleen blijven draaien als er voldoende exemplaren beschikbaar zijn.”

De onderzoekers konden aantonen dat de motor eenvoudig te combineren is met andere constructies. Dit zou het bijvoorbeeld mogelijk moeten maken om over een oppervlak te dwalen – vergelijkbaar met een inchworm die zichzelf in zijn eigen karakteristieke stijl langs een tak trekt.

“We zijn ook van plan een soort koppeling te produceren waarmee we de kracht van de motor alleen op bepaalde momenten kunnen benutten en hem anders stationair kunnen laten draaien”, legt Famulok uit. Op de lange termijn zou de motor het hart van een complexe nanomachine kunnen worden. “Er moet echter nog veel werk worden verzet voordat we dit stadium bereiken.”

Het laboratorium van Šulc is zeer interdisciplinair en past de methoden van de statistische fysica en computationele modellering breed toe op problemen in de scheikunde, biologie en nanotechnologie. De groep ontwikkelt nieuwe multischaalmodellen om interacties tussen biomoleculen te bestuderen, vooral in de context van ontwerp en simulaties van DNA- en RNA-nanostructuren en -apparaten.

‘Net zoals complexe machines voor ons dagelijks gebruik – vliegtuigen, auto’s en chips in de elektronica – geavanceerde computerondersteunde ontwerptools vereisen om ervoor te zorgen dat ze de gewenste functie vervullen, is er in de moleculaire wetenschappen een dringende behoefte aan toegang tot dergelijke methoden. ”

Professor Tijana Rajh, directeur van de School of Molecular Sciences, zei: “Petr Šulc en zijn groep doen extreem innovatieve moleculaire wetenschap, waarbij ze de methoden van computationele chemie en natuurkunde gebruiken om DNA- en RNA-moleculen te bestuderen in de context van biologie en nanotechnologie. Onze jongere faculteitsleden van de School of Molecular Sciences hebben een buitengewone staat van dienst, en professor Šulc is in dit opzicht een voorbeeld.’

Bio-nanotechnologie

DNA en RNA zijn de basismoleculen van het leven. Ze vervullen vele functies, waaronder informatieopslag en informatieoverdracht in levende cellen. Ze hebben ook veelbelovende toepassingen op het gebied van nanotechnologie, waar ontworpen DNA- en RNA-strengen worden gebruikt om structuren en apparaten op nanoschaal samen te stellen.

Zoals Šulc uitlegt: “Het lijkt een beetje op spelen met Lego-blokken, behalve dat elk Lego-blok slechts een paar nanometer (een miljoenste millimeter) groot is, en in plaats van elk blok op de plek te plaatsen waar het hoort, moet je stop ze in een doos en schud deze willekeurig totdat alleen de gewenste structuur eruit komt.”

Dit proces wordt zelfassemblage genoemd, en Šulc en zijn collega’s gebruiken computationele modellering en ontwerpsoftware om de bouwstenen te bedenken die op een betrouwbare manier kunnen worden samengevoegd tot de gewenste vorm met een resolutie op nanoschaal.

“De veelbelovende toepassingen op dit gebied omvatten diagnostiek, therapieën, moleculaire robotica en het bouwen van nieuwe materialen”, zegt Šulc.

“Mijn laboratorium heeft de software ontwikkeld om deze blokken te ontwerpen, en we werken nauw samen met experimentele groepen bij ASU en andere universiteiten in de VS en Europa. Het is spannend om te zien hoe onze methoden worden gebruikt om nanostructuren met toenemende complexiteit te ontwerpen en karakteriseren, zoals de het veld vordert en we komen tot nieuwe geavanceerde ontwerpen en gebruiken deze met succes op nanoschaal.”