DNA-Nanopartikel-Motoren sind genau das, was sie klingen: winzige künstliche Motoren, die die Strukturen von DNA und RNA nutzen, um durch enzymatischen RNA-Abbau Bewegung anzutreiben. Im Wesentlichen wird chemische Energie in mechanische Bewegung umgewandelt, indem die Brownsche Bewegung beeinflusst wird. Der DNA-Nanopartikel-Motor nutzt den Brownschen Ratschenmechanismus mit verbrannter Brücke. Bei dieser Art von Bewegung wird der Motor durch den Abbau (oder das „Verbrennen“) der Bindungen (oder „Brücken“), die er entlang des Substrats überquert, angetrieben, wodurch seine Bewegung im Wesentlichen vorwärts gerichtet wird.
Diese Motoren in Nanogröße sind hochgradig programmierbar und können für den Einsatz in molekularen Berechnungen, Diagnostik und Transport entwickelt werden. Trotz ihrer Genialität verfügen DNA-Nanopartikel-Motoren nicht über die Geschwindigkeit ihrer biologischen Gegenstücke, des Motorproteins, und hier liegt das Problem. Hier kommen Forscher ins Spiel, um mithilfe von Einzelpartikel-Tracking-Experimenten und geometriebasierter kinetischer Simulation einen schnelleren künstlichen Motor zu analysieren, zu optimieren und nachzubauen.
„Natürliche Motorproteine spielen mit einer Geschwindigkeit von 10–1000 nm/s eine wesentliche Rolle in biologischen Prozessen. Bisher hatten künstliche molekulare Motoren Schwierigkeiten, diese Geschwindigkeiten zu erreichen, wobei die meisten herkömmlichen Designs weniger als 1 nm/s erreichen“, sagte Takanori Harashima, Forscher und Erstautor der Studie.
Forscher veröffentlichten ihre Arbeit in Naturkommunikation am 16. Januar 2025 mit einem Lösungsvorschlag für das drängendste Problem der Geschwindigkeit: das Umschalten des Engpasses.
Das Experiment und die Simulation zeigten, dass die Bindung von RNase H der Flaschenhals ist, der den gesamten Prozess verlangsamt. RNase H ist ein Enzym, das an der Erhaltung des Genoms beteiligt ist und RNA in RNA/DNA-Hybriden im Motor abbaut. Je langsamer die RNase H-Bindung erfolgt, desto länger sind die Bewegungspausen, was zu einer langsameren Gesamtverarbeitungszeit führt. Durch die Erhöhung der RNase H-Konzentration wurde die Geschwindigkeit deutlich verbessert, was zu einer Verringerung der Pausenlängen von 70 Sekunden auf etwa 0,2 Sekunden führte.
Allerdings ging die Erhöhung der Motorgeschwindigkeit zu Lasten der Prozessivität (die Anzahl der Schritte vor der Ablösung) und der Lauflänge (die Strecke, die der Motor vor der Ablösung zurücklegt). Forscher fanden heraus, dass dieser Kompromiss zwischen Geschwindigkeit und Prozessivität/Lauflänge durch eine höhere DNA/RNA-Hybridisierungsrate verbessert werden könnte, wodurch die simulierte Leistung der eines Motorproteins näher kommt.
Der konstruierte Motor mit neu gestalteten DNA/RNA-Sequenzen und einer 3,8-fachen Steigerung der Hybridisierungsrate erreichte eine Geschwindigkeit von 30 nm/s, 200 Prozessivität und eine Lauflänge von 3 μm. Diese Ergebnisse zeigen, dass der DNA-Nanopartikel-Motor nun in seiner Leistung mit einem Motorprotein vergleichbar ist.
„Letztendlich wollen wir künstliche molekulare Motoren entwickeln, die natürliche Motorproteine in ihrer Leistung übertreffen“, sagte Harashima. Diese künstlichen Motoren können bei molekularen Berechnungen, die auf der Bewegung des Motors basieren, sehr nützlich sein, ganz zu schweigen von ihrem Verdienst bei der Diagnose von Infektionen oder krankheitsbedingten Molekülen mit hoher Empfindlichkeit.
Das in dieser Studie durchgeführte Experiment und die Simulation bieten einen ermutigenden Ausblick auf die Zukunft von DNA-Nanopartikeln und verwandten künstlichen Motoren und ihre Fähigkeit, mit Motorproteinen mithalten zu können, sowie ihre Anwendungen in der Nanotechnologie.
Takanori Harashima, Akihiro Otomo und Ryota Iino vom Institut für Molekularwissenschaft bei SOKENDAI haben zu dieser Forschung beigetragen.
Diese Arbeit wurde von JSPS KAKENHI, Grants-in-Aid for Transformative Research Areas (A) (Öffentlich angebotene Forschung) „Materials Science of Meso-Hierarchy“ (24H01732) und „Molecular Cybernetics“ (23H04434), Grant-in-Aid, unterstützt für wissenschaftliche Forschung in innovativen Bereichen „Molecular Engine“ (18H05424), Zuschuss für Nachwuchswissenschaftler (23K13645), JST ACT-X „Life and Information“ (MJAX24LE) und Forschungsstipendium der Tsugawa-Stiftung für das Geschäftsjahr 2023.
