Крошечная наномашина успешно прошла тест-драйв

Вместе с коллегами из США ученые из Боннского университета и исследовательского института Цезаря в Бонне использовали наноструктуры для создания крошечной машины, которая представляет собой вращающийся двигатель и может двигаться в определенном направлении.

Исследователи использовали круговые структуры ДНК. Результаты будут представлены в журнале Nature Nanotechnology.

Наномашины включают структуры сложных белков и нуклеиновых кислот, которые питаются химической энергией и могут выполнять направленные движения. Принцип известен из природы: бактерии, например, продвигаются вперед, используя жгутик.

Команда Боннского университета, исследовательский институт Цезарь в Бонне и Мичиганский университет (США) использовали структуры, изготовленные из ДНК-нанокристаллов. Два кольца были связаны как цепочка.

«Одно кольцо выполняет функцию колеса, другое управляет им как двигатель с помощью химической энергии», объясняет профессор д-р Майкл Фамулок из Института Life & Medical Sciences (LIMES) Боннского университета.

Длина крошечного автомобиля около 30 нанометров (миллионных долей миллиметра). «Топливо» обеспечивается белковой РНК-полимеразой Т7. Этот фермент, соединенный с кольцом, который служит двигателем, синтезирует цепь РНК на основе последовательности ДНК и использует химическую энергию, выделяемую во время этого процесса для вращательного движения кольца ДНК.

«По мере продвижения вращения цепь РНК растет как нить из РНК-полимеразы», ​​- сообщает ведущий автор доктор Джулиан Валеро из команды Фамулока. Исследователи используют эту постоянно расширяющуюся РНК-нить, которая в основном выступает из двигателя как отработанного продукта, чтобы сохранить крошечный автомобиль на своем курсе, используя маркировку на пути ДНК-нанотрубки.

Машина преодолела около 240 нанометров в своем тестовом заезде. На следующем этапе исследователи не только будут стремится увеличить протяженность маршрута, но и планируют более сложные задачи на тестовом треке.

На встроенных переходах наномашина должна решить, в какую сторону двигаться. «Мы можем использовать наши методы для предопределения того, что должно заставить машину принять решения насчет того, куда двигаться», — говорит Джулиан Валеро.

Конечно, ученые не могут наблюдать за крошечным автомобилем невооруженным глазом. Используя атомно-силовой микроскоп, который сканировал поверхностную структуру наномашины, ученые смогли визуализировать взаимосвязанные кольца ДНК.

Кроме того, команда использовала флуоресцентные маркеры, чтобы показать, что «колесо» машины действительно поворачивалось. Флуоресцентные маркеры вдоль пути нанотрубок освещались, как только нано-одноколесный велосипед проходил мимо них. Исходя из этого, скорость транспортного средства также может быть рассчитана: один оборот колеса занял около десяти минут. Это конечно не очень быстро, но, тем не менее, большой шаг для исследователей. «Перемещение наномашины в нужном направлении не является чем-то тривиальным, — говорит Майкл Фамулок.

Конструкция машины основана на принципе самоорганизации. Как и в живых клетках, желаемые структуры возникают спонтанно, когда соответствующие компоненты становятся доступными. «Все это работает как воображаемая головоломка», — объясняет Фамулок. Каждая головоломка предназначена для взаимодействия с очень конкретными партнерами. Если вы соберете эти части в одном сосуде, каждая частица найдет своего партнера, и желаемая структура будет автоматически собрана.

К настоящему времени ученые во всем мире разработали многочисленные наномашины. Но метод, разработанный командой Фамулока, — совершенно новый принцип. «Это большой шаг. Нелегко надежно спроектировать и реализовать такую ​​вещь в нанометровом масштабе», — говорит ученый. Его команда хочет разработать еще более сложные нано-инженерные системы в ближайшее время. «Это фундаментальное исследование. И невозможно точно увидеть, куда оно приведет».

Возможные применения включают молекулярные компьютеры, которые выполняют логические операции на основе молекулярных движений. Кроме того, крошечные машины могли бы транспортировать лекарства через кровоток точно туда, где они требуются.

Больше информации: A bio-hybrid DNA rotor–stator nanoengine that moves along predefined tracks, Nature Nanotechnology (2018). nature.com/articles/doi:10.1038/s41565-018-0109-z