Neuer DNA-Origami-Motor bricht Geschwindigkeitsrekord für Nanomaschinen
Wissenschaftler ebnen 'Nano-Bots' den Weg für zukünftige Diagnosen und Therapien
Durch eine Technik, die als DNA-Origami bekannt ist, haben Wissenschaftler den bisher schnellsten und ausdauerndsten DNA-Nanomotor geschaffen. Angewandte Chemie veröffentlichte die Ergebnisse, die eine Blaupause für die Optimierung des Designs von Motoren auf der Nanoskala - hundertmal kleiner als die typische menschliche Zelle - liefern.
Sechzehn DNA-Stränge, vier mal vier gestapelt, bilden das balkenförmige "Chassis" des DNA-Motors (in grau). DNA-Bruchstücke (in grün) ragen wie kleine Füße aus dem Chassis heraus. Der Motor wird durch RNA angetrieben, die auf einer Schiene verlegt ist. Die RNA bindet an die DNA-Füße auf der Unterseite des Chassis. Ein Enzym, das auf gebundene RNA abzielt, zerstört dann diese RNA-Moleküle (grau und rot). Der Prozess wiederholt sich, wenn mehr RNA die DNA-Füße zieht, wodurch das Fahrgestell nach vorne gekippt wird und das Fahrgestell ins Rollen kommt.
Stephanie Jones, bio-illustrations.com
"Nanoskalige Motoren haben ein enormes Potenzial für Anwendungen in der Biosensorik, beim Bau synthetischer Zellen und auch für die molekulare Robotik", sagt Khalid Salaita, ein leitender Autor der Arbeit und Professor für Chemie an der Emory Universität. "Das DNA-Origami erlaubte es uns, an der Struktur des Motors zu basteln und die Designparameter, die seine Eigenschaften steuern, herauszukitzeln.
Der neue DNA-Motor ist stabförmig und verwendet RNA-Brennstoff, um ohne menschliches Eingreifen dauerhaft in einer geraden Linie mit Geschwindigkeiten von bis zu 100 Nanometern pro Minute zu rollen. Das ist bis zu 10 Mal schneller als frühere DNA-Motoren.
Salaita gehört auch zur Fakultät der Wallace H. Coulter-Abteilung für Biomedizinische Technik, einem gemeinsamen Programm des Georgia Institute of Technology und Emory. Die Arbeit ist eine Zusammenarbeit zwischen dem Labor in Salaita und Yonggang Ke, Assistenzprofessor an der Emory's School of Medicine und der Wallace H. Coulter Abteilung für Biomedizinische Technik.
"Unser technisch entwickelter DNA-Motor ist schnell", sagt Ke, "aber wir haben noch einen langen Weg vor uns, um die Vielseitigkeit und Effizienz der biologischen Motoren der Natur zu erreichen. Letztlich geht es darum, künstliche Motoren herzustellen, die der Raffinesse und Funktionalität der Proteine entsprechen, die die Fracht in den Zellen bewegen und ihnen die Ausübung verschiedener Funktionen ermöglichen.
Die Herstellung von Dingen aus DNA, die nach dem traditionellen japanischen Papierfaltkunsthandwerk den Spitznamen DNA-Origami trägt, nutzt die natürliche Affinität zu den DNA-Basen A, G, C und T, um sich miteinander zu paaren. Durch die Bewegung um die Buchstabenfolge auf den Strängen können die Forscher die DNA-Stränge dazu bringen, sich auf eine Art und Weise zu verbinden, die unterschiedliche Formen erzeugt. Die Steifigkeit von DNA-Origami kann auch leicht angepasst werden, so dass sie gerade wie ein Stück trockener Spaghetti oder wie gekochte Spaghetti gebogen und gewickelt bleiben.
Wachsende Rechenleistung und die Verwendung der DNA-Selbstorganisation für die Genomikindustrie haben das Gebiet des DNA-Origamis in den letzten Jahrzehnten stark vorangetrieben. Potenzielle Anwendungen für DNA-Motoren sind u.a. Geräte zur Medikamentenverabreichung in Form von Nanokapseln, die sich öffnen, wenn sie einen Zielort erreichen, Nanocomputer und Nanoroboter, die an Fließbändern im Nanomaßstab arbeiten.
"Diese Anwendungen mögen jetzt wie Science-Fiction erscheinen, aber unsere Arbeit hilft, sie der Realität näher zu bringen", sagt Alisina Bazrafshan, eine Doktorandin von Emory und Erstautorin der neuen Arbeit.
Eine der größten Herausforderungen von DNA-Motoren ist die Tatsache, dass sich die Regeln für die Bewegung im Nanobereich von denen für Objekte, die der Mensch sehen kann, unterscheiden. Geräte im molekularen Maßstab müssen sich ihren Weg durch einen ständigen Strom von Molekülen erkämpfen. Diese Kräfte können dazu führen, dass solche winzigen Geräte zufällig wie Pollenkörner auf der Oberfläche eines Flusses treiben, ein Phänomen, das als Brownsche Bewegung bekannt ist.
Die Viskosität von Flüssigkeiten hat auch einen viel größeren Einfluss auf etwas so Kleines wie ein Molekül, so dass Wasser eher wie Melasse wird.
Viele frühere DNA-Motoren "gehen" mit einer mechanischen Bein-über-Bein-Bewegung. Das Problem ist, dass zweibeinige Versionen von Natur aus instabil sind. Gehmotoren mit mehr als zwei Beinen gewinnen an Stabilität, aber die zusätzlichen Beine verlangsamen sie.
Die Emory-Forscher lösten diese Probleme, indem sie einen stabförmigen DNA-Motor entwickelten, der rollt. Die Stange oder das "Chassis" des Motors besteht aus 16 DNA-Strängen, die in einem Vier-mal-Vier-Stapel zu einem Balken mit vier flachen Seiten zusammengebunden sind. Sechsunddreißig DNA-Bits ragen wie kleine Füße aus jeder Seite des Stabes heraus.
Um seine Bewegung zu fördern, wird der Motor auf eine Spur von RNA, einer Nukleinsäure mit Basenpaaren, die komplementär zu den DNA-Basenpaaren sind, gestellt. Die RNA zieht an den DNA-Füßen auf einer Seite des Motors und bindet sie an die Spur. Ein Enzym, das nur auf die an die DNA gebundene RNA abzielt, zerstört dann schnell die gebundene RNA. Dadurch wird der Motor ins Rollen gebracht, da die DNA-Füße auf der nächsten Seite des Motors durch ihre Anziehung auf die RNA nach vorne gezogen werden.
Der rollende DNA-Motor schlägt einen beständigen Weg ein, so dass er sich weiterhin in einer geraden Linie bewegt, im Gegensatz zu der eher zufälligen Bewegung der gehenden DNA-Motoren. Die Rollbewegung erhöht auch die Geschwindigkeit des neuen DNA-Motors: Er kann die Länge einer menschlichen Stammzelle innerhalb von zwei oder drei Stunden zurücklegen. Bisherige DNA-Motoren brauchten etwa einen Tag, um die gleiche Strecke zu überwinden, und den meisten fehlt die Ausdauer, um es so weit zu schaffen.
Eine der größten Herausforderungen war die Messung der Geschwindigkeit des Motors auf der Nanoskala. Dieses Problem wurde durch das Hinzufügen von fluoreszierenden Tags an beiden Enden des DNA-Motors und die Optimierung der Abbildungsbedingungen auf einem Fluoreszenzmikroskop gelöst.
Durch Versuch und Irrtum stellten die Forscher fest, dass eine steife Stabform optimal für eine geradlinige Bewegung ist und dass 36 Fuß auf jeder Seite des Motors eine optimale Dichte für die Geschwindigkeit bieten.
"Wir haben eine abstimmbare Plattform für DNA-Origami-Motoren bereitgestellt, die andere Forscher nutzen können, um Motoren zu entwerfen, zu testen und zu optimieren, um das Feld weiter voranzubringen", sagt Bazrafshan. "Unser System ermöglicht es Ihnen, die Auswirkungen aller Arten von Variablen zu testen, wie z.B. die Form und Steifigkeit des Fahrgestells und die Anzahl und Dichte der Beine, um Ihr Design fein abzustimmen.
Welche Variablen würden zum Beispiel einen DNA-Motor hervorbringen, der sich im Kreis bewegt? Oder ein Motor, der sich dreht, um Hindernisse zu umgehen? Oder eine, die sich als Reaktion auf ein bestimmtes Ziel dreht?
"Wir hoffen, dass andere Forscher auf der Grundlage dieser Ergebnisse andere kreative Entwürfe entwickeln werden", sagt Bazrafshan.
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
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