科普:DNA、折纸和分子马达

科普:DNA、折纸与分子马达

没有两个分子马达是相同的。一种运动蛋白可能会向前跳跃,而另一种可能会暂时向后爬行,或者另一种可能会长时间停留在基座上。目前,研究人员尚不清楚这些分子马达为何会以这种方式运行,但他们相信,借助轨道技术,答案可能很快就会揭晓。

研究人员从两支排列成直升机螺旋桨形状的钢笔中获得灵感,提出了一个解决方案:如果将这样的螺旋桨固定在旋转的DNA上,螺旋桨将以与DNA螺旋结构相同的速度旋转,从而产生分子马达的速度。

此外,这项技术的另一个巨大优势是,一张显微镜幻灯片可以安装在数百万个自组装的DNA螺旋桨上,这意味着研究小组可以使用显微镜上的相机同时研究数百甚至数千个这样的DNA螺旋桨。通过这种方式,他们可以比较每个分子马达的性能。

科普:DNA、折纸与分子马达

近年来,机器人变得越来越现实。例如,太阳能蜜蜂可以轻翼飞行,人形机器人可以做后空翻,机器人足球队知道如何运球、传球和制定得分策略。随着研究人员对生物运动有了更深入的了解,他们将能够创造出越来越多的能够模拟生物运动的机器,从宏观尺度到最小的分子尺度。几十年来,研究人员一直在寻找研究生物机器如何驱动生物的方法。无论是收缩肌肉还是复制DNA,无论是物质运输还是细胞分裂,在分子水平上,所有生命的机械运动都依赖于分子马达,分子马达非常微弱,几乎无法检测到。它们被称为分子马达,因为它们是具有运动功能的蛋白质大分子。试图看到这些分子马达的运动就像试图从地球上观看月球上的足球比赛一样。在最近发表在自然杂志上的一项研究中,哈佛大学的庄晓伟教授和哈佛医学院的尹鹏教授等研究人员首次使用DNA折纸技术记录了分子马达从一个DNA碱基对移动到另一个DNA碱基对时的旋转情况。

这种分子马达可以在不到一秒的时间内移动数百个碱基。以前没有人见过这种分子马达转动DNA,因为它旋转得太快了。在折纸螺旋桨和以每秒1000帧运行的高速摄像机的帮助下,研究人员终于能够记录下这种高速旋转。

研究人员利用先进的折纸技术,将大约200个DNA编织成160纳米长的螺旋桨。然后,他们将螺旋桨固定在传统的双螺旋上,另一端连接到解旋酶RecBCD,这是一种与DNA修复相关的分子马达。当分子马达开始工作时,它就会转动DNA,就像螺旋开酒器旋转螺旋桨一样。