这篇Nature有些秀：纳米级DNA折纸马达！

要使分子机制的运动具有方向性，就必须克服在环境温度下的小尺度和液体溶液中普遍存在的随机热力。在没有能量供应的平衡状态下，定向运动不可能不违反热力学定律而持续下去。

在远离热力学平衡的条件下，方向运动可以在布朗棘轮的框架内实现，布朗棘轮是打破反转对称的扩散机制。棘轮被认为是许多天然生物马达的功能基础，例如F₁F₀-ATP酶，它已经在合成微系统和有机化学合成的人工分子马达中得到实验证明。

DNA纳米技术，已经产生了多种纳米尺度的机制，包括枢轴、铰链、曲柄滑块和旋转系统，它们可以采用不同的配置，例如，由链-位移反应或通过改变环境参数(如pH值、离子强度、温度、外部场)触发，并通过将它们的运动与天然马达蛋白的运动耦合。

在此，来自英国牛津大学的Ramin Golestanian &德国慕尼黑工业大学的Friedrich C. Simmel和Hendrik Dietz等研究者开发了一种纳米级的旋转马达，由DNA折纸术构建，由棘轮驱动，其机械性能接近生物马达，如F₁F₀-ATP酶。相关论文以题为“A DNA origami rotary ratchet motor”于2022年07月20日发表在Nature上。

研究者使用DNA折纸的方法设计和制作了一个高40纳米、宽30纳米的基座，在其上方固定了一个边长60纳米、厚度13纳米的等边三角形平台(图1a-c)。通过三角形平台的中心腔突出的基座部分包括用于转子臂的对接部位。停靠点通过一个由三个未配对核苷酸组成的支点固定在基座上三角形平台的中点附近。旋转臂由两个端到端连接的刚性棒模块(每个都是单独的DNA折纸)组成(图1d,e)，总长度为550 nm。

研究者选择转子臂的长度，是为了在衍射受限荧光显微镜中实时跟踪单个马达的角度方向变化，并通过与溶剂的粘性摩擦来减缓角运动，这是受到Kinosita和其他人的经典实验的启发，该实验显示了单个F-肌动蛋白标记的F₁-ATP酶马达的旋转。

杆模块由十个DNA双螺旋结构组成，呈蜂窝状排列(图1d,e)。这种螺旋束曾被证明具有几微米尺度的持久性长度。转子臂因此可以看作是一个刚性但有弹性的杆。转子臂在枢轴点的两侧突出，超出三角形平台的范围。通过这种设计，转子臂在空间上受到约束，只能围绕三角形平面内的枢轴点进行单轴旋转。研究者还在三角形平台的三个边缘安装了物理障碍物(图1c)。

障碍物由18毫米长的矩形板组成，从三角形平台表面倾斜约50°。这些钢板用一组双螺旋垫片固定在这个角度上。当扫过三角形平台时，为了克服障碍，转子臂必须向上弯曲。弯曲构成了一个能量屏障，它可以以玻尔兹曼加权的方式将转子困在障碍物之间。该马达还包括功能修改，如生物素部分和荧光染料(图1f)，以使实验观察单个马达颗粒的运动。有了生物素部分，定子可以通过每个定子的几个生物素中性蛋白键固定在显微镜玻璃覆盖层上，旋转臂尖端的多个荧光染料允许使用相对于单独标记的三角形平台的位置的质心跟踪来确定其方向(图1f)。

图1. 马达设计及实验装置

在此，研究者开发了一种由DNA折纸构建的纳米级旋转马达，该马达由棘轮驱动，其机械性能接近F₁F₀-ATP酶等生物马达。

图2. DNA折纸马达的结构分析

图3. 马达动力学

图4. 马达机构，波动分析和卷绕主轴

综上所述，研究者的大分子旋转马达可以完成工作，这一点可以从它们在溶液中对抗粘性阻力的持续旋转，以及它们缠绕分子扭转弹簧的能力上得到证明。随着角速度高达每分钟250转和扭矩高达10 pN纳米，马达实现的转速和扭矩正在接近那些已知的强大的天然分子机器，如ATP合酶。由于固有的机械特性，马达的方向移动，由一个简单的外部能量调制，不需要任何反馈或用户提供的信息来指导马达。

此外，研究者的马达还提供了控制选项，一个熟悉的宏观马达：用户可以打开和关闭它们的意愿，它们的反应迅速，转速和旋转方向可以调节。任何拥有标准湿式实验室设备的人，都可以生产和操作这种马达。它足以传输序列信息，让其他用户使用从商业来源获得的DNA分子复制和建造他们自己的马达。生产所需的DNA分子，可以按比例大规模生产。

由于DNA折纸组件的模块化，研究者预计马达也可以修改，适应和集成到其他环境。Gopinath等人最近描述了如何以可编程的方式在有图案的固态表面上放置和定位DNA折纸物体。这些方法，可以用来建立马达阵列与控制定子方向相对于场轴，以实现同步旋转。

研究者的马达设计和操作理念，也可能适用于DNA折纸之外的其他系统。例如，具有带电残基的基于蛋白质的旋转组件可能可以从头设计，并可以通过交流场驱动方向偏置旋转。此外，除了电场之外，其他方向交替的能源供应，如交替的流体流动，也可能被使用。一个自然的下一个前沿领域将是探索通过化学反应引起屏障调制，并利用定向运动来驱动上坡的化学合成，使用更复杂的合成机制，以协调的互反运动为特征——就像F₁F₀-ATP合酶在旋转运动驱动下机械合成ATP一样。

文献信息

Pumm, AK., Engelen, W., Kopperger, E. et al. A DNA origami rotary ratchet motor. Nature 607, 492–498 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04910-y

原文链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-022-04910-y

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