De voorgestelde oplossing zou motoren van DNA-nanodeeltjes op snelheid kunnen brengen met motoreiwitten

Motoren van DNA-nanodeeltjes zijn precies zoals ze klinken: kleine kunstmatige motoren die de structuren van DNA en RNA gebruiken om beweging voort te stuwen door middel van enzymatische RNA-afbraak. In wezen wordt chemische energie omgezet in mechanische beweging door de Brownse beweging te beïnvloeden.

De DNA-nanodeeltjesmotor maakt gebruik van het Brownse ratelmechanisme met “verbrande brug”. Bij dit type beweging wordt de motor voortgestuwd door de degradatie (of “verbranding”) van de bindingen (of “bruggen”) die hij langs het substraat kruist, waardoor de beweging in wezen voorwaarts wordt beïnvloed.

Deze motoren van nanoformaat zijn zeer programmeerbaar en kunnen worden ontworpen voor gebruik bij moleculaire berekeningen, diagnostiek en transport.

Ondanks hun potentieel hebben DNA-nanodeeltjesmotoren niet de snelheid van hun biologische tegenhangers, het motoreiwit, en dat is waar het probleem ligt. Dit is waar onderzoekers binnenkomen om een ​​snellere kunstmatige motor te analyseren, optimaliseren en opnieuw op te bouwen met behulp van een tracking-experiment met één deeltje en op geometrie gebaseerde kinetische simulatie.

“Natuurlijke motoreiwitten spelen een essentiële rol in biologische processen, met een snelheid van 10-1.000 nm/s. Tot nu toe hebben kunstmatige moleculaire motoren moeite gehad om deze snelheden te benaderen, waarbij de meeste conventionele ontwerpen minder dan 1 nm/s halen”, zegt Takanori. Harashima, onderzoeker en eerste auteur van het onderzoek.

De onderzoekers gepubliceerd hun werk binnen Natuurcommunicatiemet een voorgestelde oplossing voor het meest urgente snelheidsprobleem: het omzeilen van de bottleneck.

Uit het experiment en de simulatie bleek dat binding van RNase H het knelpunt is waardoor het hele proces wordt vertraagd. RNase H is een enzym dat betrokken is bij het onderhoud van het genoom en dat RNA in RNA/DNA-hybriden in de motor afbreekt.

Hoe langzamer de RNase H-binding plaatsvindt, hoe langer de bewegingspauzes zijn, wat leidt tot een langzamere algehele verwerkingstijd. Door de concentratie RNase H te verhogen, werd de snelheid aanzienlijk verbeterd, waarbij de pauzelengten afnamen van 70 seconden naar ongeveer 0,2 seconden.

Het verhogen van de motorsnelheid ging echter ten koste van de processiviteit (het aantal stappen vóór het loskomen) en de runlengte (de afstand die de motor aflegt voordat het loskomt). Onderzoekers ontdekten dat deze wisselwerking tussen snelheid en processiviteit/run-lengte verbeterd zou kunnen worden door een grotere DNA/RNA-hybridisatiesnelheid, waardoor de gesimuleerde prestaties dichter bij die van een motoreiwit komen.

De ontwikkelde motor, met opnieuw ontworpen DNA/RNA-sequenties en een 3,8-voudige toename van de hybridisatiesnelheid, bereikte een snelheid van 30 nm/s, 200 processiviteit en een runlengte van 3 μm. Deze resultaten tonen aan dat de DNA-nanodeeltjesmotor nu qua prestaties vergelijkbaar is met een motoreiwit.

“Uiteindelijk streven we ernaar kunstmatige moleculaire motoren te ontwikkelen die qua prestaties de natuurlijke motoreiwitten overtreffen”, aldus Harashima. Deze kunstmatige motoren kunnen zeer nuttig zijn bij moleculaire berekeningen op basis van de beweging van de motor, om nog maar te zwijgen van hun waarde bij de diagnose van infecties of ziektegerelateerde moleculen met een hoge gevoeligheid.

Het experiment en de simulatie in deze studie bieden bemoedigende vooruitzichten voor de toekomst van DNA-nanodeeltjes en gerelateerde kunstmatige motoren en hun vermogen om zich te meten met motoreiwitten, evenals hun toepassingen in de nanotechnologie.