Химики из университетов Эмори и Пердью разработали новый ДНК-мотор, который, в отличие от традиционных молекулярных машин, не «ходит», а катается по специальным поверхностям. Авторы сравнивают свою разработку с изобретением колеса, Исследование опубликовано в журнале Nature Nanotechnology, кратко о нем сообщает пресс-релиз Университета Эмори.

В роли мотора выступает кремниевая микросфера, на поверхности которой химики закрепили большое количество одинаковых остатков ДНК. В эксперименте эту микросферу помещали на поверхность золотой пластинки, покрытой короткими фрагментами комплиментарных олигонуклеотидов. Связи между мотором и активной поверхностью были устроены следующим образом: на поверхности золота была закреплена короткая цепочка ДНК, к которой авторы присоединяли химерную цепочку ДНК/РНК. Именно РНК-фрагмент последней связывался с «ногами» на микросфере.

Треки, оставленные ДНК-моторами. Изображение: Kevin Yehl et al. / Nature Nanotechnology, 2015

Устройство и принцип действия ДНК-мотора

В таком состоянии мотор мог просто покоиться на золотой пластинке, для его запуска химики использовали специальный катализатор — рибонуклеазу H. Это особый фермент, способный гидролизовать только те участки РНК, которые соединены с цепью ДНК. В результате этого микросфера начинала открепляться от подложки с одной стороны, что делало ее подвижной и позволяло создавать новые связи с подложкой с другой — мотор начинал катиться.

Скорость его движения оказалась на три порядка превышающей скорости ранее описанных «ходячих» ДНК-моторов. На преодоление одного сантиметра новой молекулярной машине требовалось всего семь дней, в то время как четырехногим моторам требуется на это около 20 лет. Интересно отметить, что если одиночная микросфера двигалась хаотично, то две случайно слипшиеся микросферы оказались движущимися прямолинейно.

Движение пары микросфер, сцепленных вместе Изображение: Kevin Yehl et al. / Nature Nanotechnology, 2015

Химики нашли и подали заявки на патенты для ряда применений разработки. В частности, по их словам, мотор может выступать в роли высокочувствительного сенсора, способного отмечать единичные нарушения в коротких олигонуклеотидных цепочках. Это будет выражаться в изменении скорости мотора или его остановке. Важно отметить, что движение микросфер очень легко увидеть с помощью простейшего оборудования. Для демонстрации этого авторы использовали микроскоп, сделанный из смартфона и пластиковой линзы от лазерной указки, прикрепленной к нему. 

Разработчики искусственных молекулярных моторов стремятся достигнуть как можно больших скоростей, однако по-прежнему самыми быстрыми остаются природные «двигатели». К примеру, кинезин, известный транспортный белок, способный перемещаться вдоль микротрубочек и переносить питательные вещества, все еще в 10 раз быстрее, чем предложенный мотор. 

Автор: Владимир Королёв