ДНК — это биомолекула с широким спектром функций и уникальными характеристиками. Благодаря достижениям науки и техники, человек расширил возможности ДНК, и теперь к ним добавлен наноразмерный мотор, созданный на основе технологии ДНК-оригами и способный к самосборке.
ДНК, или дезоксирибонуклеиновая кислота — одна из ключевых биомолекул, роль которой заключается в хранении и копировании генетической информации. Однако выполняемые ею функции в действительности довольно разнообразны: ДНК способна активно регулировать экспрессию генов, претерпевать структурные изменения и вступать во взаимодействие с белками.
Кроме того, ученым и инженерам удалось наделить молекулу ДНК и дополнительными, созданными искусственно функциями. К примеру, ей была предоставлена возможность ускорять химические реакции (ДНКзимы), а также хранить цифровые данные (технология «ДНК- флешки») или служить фундаментом для создания широкого спектра разнообразных, гибких и в то же время устойчивых наноструктур.
Речь идет о так называемых ДНК-оригами: данная нанотехнология дает возможность создавать большое количество специфических молекул, соединяющихся друг с другом по определенному принципу комплементарности и в итоге самопроизвольно образуют сложные агрегаты. Цепочки ДНК подлиннее в этом случае служат основой, к которой присоединяются короткие молекулы.
Технологии существуют уже более 15 лет и позволили получить ряд уникальных объектов, включая впечатляющие наноструктуры и действенные препараты для адресной доставки лекарственных средств.
В ходе эволюционного развития возникло большое разнообразие природных наномашин — это белки, которые выполняют роль молекулярных машин вроде АТФсинтазы, использующей своеобразную «карусель» это позволяет преобразовать разность потенциалов на биомембране в энергию, заключенную в химических связях. Другой пример – «шагающие» белки, такие как кинезин, которые способны целенаправленно двигаться по микротрубочкам, транспортируя при этом необходимые молекулы.
Производство подобных искусственных молекулярных двигателей традиционными способами представляет собой сложную задачу, поэтому авторы новой статьи в Nature прибегли к биоинженерии и ДНК-оригами.
«На протяжении многих лет мы совершенствовали эту технологию сборки, и теперь способны создавать сложные объекты с высокой точностью, например, молекулярные переключатели или полые контейнеры, предназначенные для улавливания вирусных частиц. При наличии цепей ДНК с требуемой последовательностью, эти объекты будут собираться самостоятельно», — пояснил Генрих Дитц, возглавляющий новое исследование в Университете Мюнхена (Германия).
Описаны технические характеристики нанодвигателя, который включает в себя основание, платформу и роторный рычаг. Высота основания составляет приблизительно 40 нанометров и оно химически закреплено на стеклянной подложке. Роторный рычаг, длиной около 500 нанометров, подвижно соединен с основанием. Между ними размещена платформа с перегородками, которые ограничивают перемещение рычага, что приводит к его деформации во время поворота. Фактически, это представляет собой молекулярный храповик.
Электрические колебания создают силы, которые приводят в действие ДНК-двигатель. По мнению авторов, возможности этого устройства уникальны: максимальный крутящий момент достигает десяти пиконьютон на нанометр длины рычага. Управление работой наномотора возможно, включая и выключая его, а также регулируя скорость и направление вращения.
По мнению авторов, созданный на основе ДНК-оригами молекулярный двигатель обладает значительным потенциалом для различных технических задач, включая контролируемое протекание химических реакций.