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    DNA、折纸与分子马达

    发表时间:2020-03-23 信息来源:www.nxbb.com 浏览次数:1466

     

    1。

    近年来,机器人变得越来越现实。例如,太阳能蜜蜂可以用轻型飞翼飞行,类人机器人可以做后空翻,机器人足球队知道如何运球,传球和得分策略。随着研究人员更深入地了解生物运动,他们可以创造出越来越多的模仿生物运动的机器,从宏观尺度到最小的分子尺度。

    几十年来,研究人员一直在寻找研究生物机器如何驱动生物的方法。无论是收缩肌肉还是复制DNA,无论是物质转运还是细胞分裂,在分子水平上,活体的所有机械运动都依赖于可以使用几乎检测不到的旋转角度的分子马达。它被称为分子马达,因为它是一种具有运动功能的蛋白质大分子。试图看到这些分子马达的运动就像试图在地球上观看月球上的足球比赛一样。

    在《自然》杂志最近发表的一项研究中,哈佛大学的庄小伟教授和哈佛医学院的尹鹏教授等研究人员利用DNA折纸技术首次记录分子马达从DNA碱基对移动。旋转角度到下一个。

    ○庄小伟教授(2019年生命科学突破奖获得者)。 |图片来源:Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer

    尹教授是DNA折纸领域的先驱。他和他的学生Mingjie Dai将DNA折纸与高精度单分子追踪结合起来创造了一种新技术 ORBIT(意思是基于折纸转子的成像和追踪)来观察分子机器的运动。

    2。

    在我们体内,一些分子马达直接穿过肌肉细胞,导致肌肉收缩;其他人负责修复,复制或转录DNA,所有这些基因组加工反应都会产生DNA旋转:一种与DNA相互作用的分子运动。将保持双螺旋链并从一个基座攀爬到另一个基座,就像螺旋楼梯一样。然而,测量这种DNA旋转是一项非常困难的任务。

    为了观察这些微型机器的运动,研究团队希望利用这种扭转运动。首先,他们将与DNA相互作用的分子马达固定在刚性支架上。一旦固定,它必须旋转螺旋线从一个基座移动到下一个基座。因此,如果他们可以测量螺旋旋转的方式,他们就可以确定运动分子的运动方式。但研究人员面临另一个问题:每当马达分子通过一对碱基对时,旋转会导致DNA移动几分之一纳米。即使使用最先进的光学显微镜,这种运动也太弱而无法检测到。

    研究人员从两个放置在直升机螺旋桨形状中的笔中获取灵感并得到一个解决方案:如果这样的螺旋桨固定在旋转的DNA上,螺旋桨将以与DNA螺旋相同的速度旋转。从而分子马达的速度。

    所以问题就变成了,我们怎么能建立一个“DNA直升机”,它需要能够看到转子叶片的摆动,以便摄像机可以捕捉到运动分子的难以捉摸的运动。

    3。

    这就是DNA折纸技术的工作原理。研究人员决定使用这项技术来制造分子大小的螺旋桨。以前,这种技术通常用于艺术创作,向细胞递送药物,研究免疫系统以及其他用途,例如控制DNA链以形成与传统双螺旋结构不同的其他复杂,美丽的形状。

    ○ORBIT示意图:使用DNA折纸转子,相对于固定在表面上的运动蛋白的旋转,扩增和检测双链DNA。 |图像来源:Pallav Kosuri/Zhuang Lab

    研究人员使用复杂的折纸技术将大约200个DNA编织成160纳米的螺旋桨。然后,他们将螺旋桨连接到传统的双螺旋,另一端连接到解旋酶RecBCD,这是一种与DNA修复相关的分子马达。当分子马达开始工作时,它会转动DNA并像螺丝刀那样旋转螺旋桨。

    这种分子马达可以在不到一秒的时间内移动数百个碱基。在此之前,没有人看到这种分子马达转动DNA因为转得太快。在折纸螺旋桨和以每秒1000帧的速度运行的高速摄像机的帮助下,研究人员最终记录了这种高速旋转运动。

    ○由高速摄像机记录的螺旋桨的旋转。 |图像来源:Pallav Kosuri/Zhuang Lab

    4。

    人体中的许多关键过程都与蛋白质和DNA之间的相互作用有关。了解这些蛋白质如何工作或失败可能有助于回答有关人类健康和疾病的基本生物学问题现在,研究小组已经开始探索其他类型的DNA运动,其中一种是RNA聚合酶,它沿着DNA移动,读取遗传密码并将其转录为RNA。

    受过去研究的启发,研究人员推测这种分子马达可以以35度的角度旋转DNA,因为这个角度对应于两个相邻核苷酸碱基之间的角度。这一次,在ORBIT技术的帮助下,研究人员证实了他们的推测是正确的。他们首先观察到单个碱基对的旋转,这是DNA转录的基础,并且如预测的那样,旋转角度约为35度。

    此外,这项技术还有另一个巨大的优势,即显微镜载玻片可以安装在数百万个自组装DNA螺旋桨上,这意味着研究团队可以在显微镜上使用相机,同时研究数百甚至数千个这样的DNA螺旋桨。通过这种方式,他们可以比较每个分子马达的性能。

    没有两个分子马达是相同的。一种运动蛋白可能会向前跳跃,而另一种运动蛋白可能会暂时向后爬行,或者可能会有一段时间长时间停留在某个基础上.目前,研究人员并不了解这些分子马达。你为什么这样做,但他们相信在ORBIT技术的帮助下,答案很快就会揭晓。

    此外,ORBIT的概念也可能激励其他研究人员设计新的基于生物能源的纳米技术。该论文的第一作者Pallav Kosuri博士表示,新技术是一种混合纳米机器,它使用设计组件和天然生物电机。有一天,这种混合动力技术可能成为仿生机器人的真正基础。

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