ДНК — многофункциональная биомолекула, имеющая уникальные свойства и выполняющая целый ряд функций. Человек смог дополнить спектр ее возможностей искусственными — и теперь к ним добавился наноразмерный мотор, основанный на 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 может активно участвовать в регуляции экспрессии генов, изменять свою структуру и взаимодействовать с белками.

Помимо этого, ученые и инженеры смогли придать молекуле ДНК и другие, искусственные возможности. Например, способность катализировать химические реакции (ДНКзимы), хранить цифровую информацию (технология «ДНК-флешки») или служить основой для исключительно разнообразных, динамичных и при этом надежных наноконструкций.

Речь идет о так называемых ДНК-оригами: такая нанотехнология позволяет синтезировать множество специфических молекул, которые связывают друг друга по принципу комплементарности и в итоге самопроизвольно образуют сложные агрегаты. Цепочки ДНК подлиннее в этом случае служат основой, к которой присоединяются короткие молекулы.

Этой технологии более 15 лет, и она уже помогла получить ряд уникальных объектов — от эффектных наносмайликов до эффективных средств для направленной доставки лекарств.

Ранее эволюция создала множество природных нанодвигателей — это белки, выполняющие функции молекулярных машин вроде АТФсинтазы, использующей своеобразную «карусель» для того, чтобы преобразовать разность потенциалов на биомембране в энергию химических связей. Другой пример — «шагающие белки» вроде кинезина, способные целенаправленно перемещаться вдоль микротрубочек, перетаскивая на себе полезные грузы.

Принцип устройства наномотора на основе ДНК-оригами и проведенные эксперименты / © doi.org/10.1038/s41586–022–04910-y

Создать подобные искусственные молекулярные двигатели обычными методами довольно трудно, так что авторы новой статьи в Nature прибегли к биоинженерии и ДНК-оригами.

«Мы развивали эту технологию сборки на протяжении многих лет и теперь можем создавать сложные объекты с высокой точностью — скажем, молекулярные переключатели или полые контейнеры, которые захватывают вирусные частицы. И если вы получите цепочки ДНК с нужной последовательностью, эти объекты соберут себя сами», — пояснил Генрих Дитц (Hendrik Dietz), руководитель нового исследования из Университета Мюнхена (Германия).

Приведены следующие технические характеристики нанодвигателя. Он состоит из трех частей: основания, платформы и роторного рычага. Основание имеет в высоту примерно 40 нанометров и химически пришито к стеклянной подложке. Рычаг ротора — около 500 нанометров в длину, подвижно прикреплен к основанию. Между ними расположена платформа, имеющая преграды, ограничивающие движение рычага, — это вынуждает его деформироваться при повороте. По сути, речь идет о молекулярном храповике. Движение возникает за счет флуктуирующих электрических сил, воздействующих на ДНК-двигатель.

Авторы называют возможности этого устройства беспрецедентными: предельный крутильный момент составляет десять пиконьютон на нанометр длины рычага. Наномотор можно включать и выключать, а его скорость и направление вращательного движения — контролировать.

Авторы убеждены, что собранный из ДНК-оригами молекулярный двигатель найдет множество технических приложений, в том числе для проведения управляемых химических реакций.