ДНК-оригами: самый маленький в мире наноразмерный электромотор
Оригами — это древнее искусство складывать различные фигуры из листов бумаги. В современном же мире бумага является не единственным материалом для складывания. Оригами нашло свое применение и в робототехнике, и в медицине, и в фармакологии. А вот ученые из Техасского университета в Остине (США) использовали технику оригами для создания первых в мире работающих наноэлектромоторов, основой которых является ДНК и нитрид кремния. Как именно ученые создали ДНК-оригами, как оно работает, и где может найти применение столь необычная технология. Ответы на эти вопросы мы найдем в докладе ученых.
Основа исследования
В основе любой активной механической системы лежит двигатель, который преобразует один вид энергии, обычно химическую или электрическую, в механическую. В биологических системах такую работу выполняют моторные белки, такие как кинезин, мотор бактериальных жгутиков и FoF1-АТФ-синтазы. В последнем электрохимическая потенциальная энергия ионов преобразуется в механическое вращательное движение мотора Fo, который приводит в движение вращающийся комплекс F1, катализирующий синтез АТФ*.
АТФ* (от аденозинтрифосфат) — нуклеозидтрифосфат, играющий основную роль в обмене энергии в клетках живых организмов.
Демонстрация работы кинезина под хорошую музыку.
Важнейшим шагом в создании наноразмерных роторных двигателей является их способность непрерывно и автономно преобразовывать локальную свободную энергию в механическое движение и полезную работу. Моделирование молекулярной динамики (MD от molecular dynamics) показало концептуальную возможность использования спирали ДНК для преобразования электрического поля в крутящий момент. Однако экспериментальная демонстрация вращательного механизма, запрограммированного на устойчивое преобразование трансмембранного электрического потенциала в механическое вращение, пока не была достигнута.
В рассматриваемом нами сегодня исследовании ученые демонстрируют ДНК-нанотурбину, которая приводится в действие наномасштабным гидродинамическим потоком внутри нанопоры. Он содержит центральную ось, оснащенную тремя лопастями, расположенными в хиральной конфигурации, левосторонними или правосторонними. Высота турбины составляет 24 или 27 нм, что сопоставимо с высотой АТФ-синтазы (20 нм). Статор турбины представляет собой твердотельную нанопору в мембране из нитрида кремния толщиной 20 нм. Используя флуоресценцию одиночных молекул, ученые контролировали вращение нанотурбины, приводящее в движение либо напряжение постоянного тока (DC от direct current), либо трансмембранный ионный градиент, который имитирует рабочую среду ротационных двигателей в биологических клетках. Нанотурбина может преобразовывать гидродинамическую нагрузку в устойчивое вращательное движение со скоростью до 10 оборотов в секунду.
Результаты исследования
Изображение №1
ДНК-нанотурбина представляет собой многослойную структуру ДНК-оригами, содержащую намеренно созданный хиральный поворот (1a, 1b). Структура состоит из 30 двухцепочечных спиралей ДНК, каждая в среднем длиной 72 пары оснований (п.н. или bp от base pairs), где шесть параллельных центральных спиралей образуют ось, а три восьмиспиральные лопасти наклонно прикреплены к оси и симметрично расположены на расстоянии друг от друга под углом 120° по окружности.
Ученые использовали одночастичную криогенную электронную микроскопию (cryo-EM от cryogenic electron microscopy; Крио-ЭМ) для определения трехмерных карт электронной плотности правосторонних и левосторонних структур турбины (1c, 1e). Крио-ЭМ реконструкция показала желаемые структурные особенности, такие как три лопасти и ось, а также выявила скрученную ориентацию лопастей. Углы скручивания и лопастей были измерены по данным крио-ЭМ, что дало плотность скручивания -1.1°/bp и угол лопасти относительно оси турбины -36° для правосторонней конструкции, а также +0.69°/bp и +24° для левосторонней структуры (1d, 1f). Структуры турбин имели высоту 27 нм и 24 нм (правосторонняя и левосторонняя соответственно) и диаметр 27 нм и 25 нм соответственно.
Чтобы продемонстрировать, что турбины могут генерировать крутящий момент и работу, ученые пристыковали структуру к нанопорам и оптически контролировали вращение на уровне одиночных молекул. Для создания гидродинамической нагрузки, а также для удержания турбины в нанопоре и облегчения оптического слежения с помощью микроскопии сверхвысокого разрешения ученые прикрепили шестиспиральный пучок ДНК длиной 300 нм в качестве перекладины с усиленным центральным сегментом 16-спирального пучка к верхней части оси турбины как одно сплошное твердое тело (1g). Один конец пучка ДНК был помечен десятью флуорофорами Cy3, чтобы обеспечить непрерывный мониторинг его движения с помощью флуоресцентной микроскопии с временным разрешением 5 мс и точностью локализации субдифракционного предела. Петля из разорванной двухцепочечной ДНК длиной 900 нм была спроектирована так, чтобы простираться от нижней части оси и действовать как поводок, направляющий вставку турбины в нанопору во время процесса стыковки (1g).
Грубое моделирование использовалось для анализа структурной жесткости интегрированной конструкции (1h). Правильное складывание всей сборки было проверено с помощью просвечивающей электронной микроскопии с отрицательным окрашиванием (1i). Массив нанопор диаметром 50 нм был изготовлен в мембранах из нитрида кремния толщиной 20 нм с использованием электронно-лучевой литографии и реактивного ионного травления, а также охарактеризован с помощью просвечивающей электронной микроскопии.
Изображение №2
Наблюдения показали, что ДНК-турбина может приводить в движение однонаправленное вращение под действием трансмембранного градиента концентрации ионов. Первоначально оба отсека проточной кюветы заполняли буфером NaCl (50 мМ) и добавляли ДНК-турбины в цис-отсек. Впоследствии в транс-отсек вводили более высокую концентрацию NaCl (0.5–3 М) (2a), заставляя турбины двигаться к нанопорам путем диффузиофореза, что приводило к внедрению турбин в нанопоры.
Как показано на изображении выше, наблюдалось четкое направленное вращение частиц турбины. На 2b показано вращательное движение конца пучка, которое можно проследить по круговой траектории с течением времени. На 2c показано кумулятивное угловое смещение, соответствующее 2b, которое продолжается более 200 оборотов по часовой стрелке за весь период наблюдения (в данном случае 40 секунд). На 2d и 2e показаны типичные данные для 228 турбин, где правосторонние и левосторонние турбины приводили соответственно к линейным угловым вращения вверх и вниз. Линейность этих кривых (и соответствующих суперлинейных кривых среднеквадратического углового вращения) является прямым свидетельством движения. Данные показывают, что ДНК-турбины могут оказывать значительный крутящий момент на пучок ДНК и приводить его в устойчивое однонаправленное вращательное движение.
Важно отметить, что спроектированная хиральность задает направление вращения. Вариант турбины с левосторонними лопастями показывал преимущественное вращение против часовой стрелки (если смотреть со стороны цис). Напротив, турбины с правосторонними лопастями вращались почти исключительно по часовой стрелке. Эти данные указывают на то, что спроектированная хиральность контролирует направление вращения. Ученые определили среднюю угловую скорость в различных условиях солевого градиента (2f). Направления скоростей хорошо соответствовали расчетным хиральностям структур, а угловые скорости распределялись с заметным разбросом, с максимальными значениями до ~10 об/с. Разброс в распределении скоростей связан с неоднородностью локальных взаимодействий между структурой ДНК и поверхностью нитрида кремния, а также с потенциальными деформациями в перекладине турбины, способной модулировать скорость вращения.
Изображение №3
Впоследствии ученые управляли турбинами под трансмембранным напряжением, которое прикладывалось к отсекам при концентрации NaCl, равной 50 мМ. Сразу после подачи трансмембранного напряжения (100 мВ; 3a, 3b) наблюдалось стыковочное и вращательное движение ДНК-турбин (3b, 3h). Были получены четкие круговые траектории, указывающие на устойчивое и постоянное вращательное движение, очень похожее на траектории, наблюдаемые в экспериментах с ионным градиентом. Скорости вращения пучка ДНК показали управляемое вращательное движение, опять же преимущественно с одним и тем же направлением вращения в зависимости от хиральности исследуемого варианта турбины (3c, 3i).
Ученые обнаружили, что есть возможность контролировать направление вращения турбин с помощью ионной силы буфера. Когда эксперименты с управлением напряжением проводились в буфере с высоким содержанием соли, содержащем 3 М NaCl вместо разбавленного 50 мМ, направленность вращательного движения менялась на обратную. Это явление происходило для обеих хиральностей турбины (3d, 3e, 3j, 3k). Титруя концентрацию соли от 50 мМ до 3 М, ученые наблюдали, что средняя скорость вращения менялась от положительных значений к отрицательным для левосторонних турбин, то есть вращение менялось с левого на правое (а для правосторонних происходило обратное; 3g, 3m).
Изображение №4
Чтобы выявить микроскопический механизм генерации крутящего момента, ученые провели полноатомное МД-моделирование ДНК-турбины, погруженной в раствор электролита с низким содержанием соли (4a). Было замечено, что приложение осевого электрического поля напряженностью 100 мВ/нм вращало турбину на ~ 120° за 56 нс в ожидаемом направлении (влево относительно оси приложенного поля; 4b). Было замечено, что поток, вызванный градиентом давления, вращает турбину в ожидаемом направлении, тогда как изменение направления электрического поля или градиента давления меняло направление вращения.
Было также обнаружено, что скорость вращения турбины определяется скоростью молекул воды, движущихся мимо лопастей турбины, что указывает на механизм вращения, аналогичный механизму вращения макроскопической турбины. Однако при эквивалентном моделировании той же турбины, проведенном в 3 М NaCl, направление вращения изменилось на противоположное, а общая скорость вращения снизилась (4d, 4e). Кроме того, было замечено, что средний эффективный крутящий момент, создаваемый турбиной при высоком уровне соли, меняет знак по сравнению с крутящим моментом при низком уровне соли (4f). Таким образом, результаты МД-моделирования демонстрируют поразительное качественное сходство с экспериментальными результатами.
Чтобы понять изменение эффективного крутящего момента, зависящее от концентрации ионов, ученые смоделировали дуплекс ДНК, который был ориентирован параллельно или перпендикулярно к приложенному электрическому полю. Наблюдаемый коэффициент гидродинамической анизотропии действительно менялся в зависимости от измеренной концентрации соли: от примерно 1 при 2.6 М NaCl до 0.38 при 4 мМ NaCl (4h) — очень заметное изменение, которое могло бы обратить вспять направление вращения согласно модели континуума.
Чтобы определить микроскопический механизм изменения направления вращения, ученые смоделировали дуплекс ДНК, наклоненный на 35° относительно вертикально приложенного поля (4g), что аппроксимирует наклон лопастей турбин. Хотя центр масс дуплекса и угол вращения были гармонически ограничены, ученые измерили эффективную плоскостную силу, действующую на дуплекс (4i). При низком уровне соли была измерена отрицательная сила, тогда как при высоком уровне соли средняя сила в плоскости изменилась на положительное значение. Поскольку профиль потока вокруг ДНК (4j) определяется распределением зарядов в растворе, ученые рассчитали трехмерную карту сил раствора. Карта выявила небольшой перезаряд ДНК в состоянии 3 М (4k), которого, тем не менее, было достаточно, чтобы существенно изменить поток раствора вблизи ДНК (4j). Чтобы доказать причинную роль распределения ионов, ученые применили силу раствора с высоким/низким содержанием соли к системам с низким/высоким содержанием соли, что, к счастью, поменяло местами распределение эффективной силы (4l).
Для более детального ознакомления с нюансами исследования рекомендую заглянуть в доклад ученых и дополнительные материалы к нему.
Эпилог
В рассмотренном нами сегодня труде ученые создали наноскопическую турбину, которая состояла из 30 двухцепочечных спиралей ДНК, встроенных в ось и в три лопасти длиной около 72 пар оснований.
Успех работающей ДНК-нанотурбины основан на предыдущем исследовании, в котором также использовались суперкомпьютеры Frontera и ACCESS. Это исследование показало, что одна спираль ДНК — это самый крошечный электромотор, который можно построить. Он может вращаться со скоростью до миллиарда оборотов в минуту. Другая причина использования ДНК в качестве строительного блока заключается в том, что она несет отрицательный заряд. Это является важной характеристикой для создания электромотора.
В результате ученые получили первый в мире наномотор, в котором они могли контролировать скорость и направление вращения. Достигалось это путем регулирования электрического поля на твердотельной нанопоровой мембране и концентрации солей в жидкости, окружающей ротор.
В будущем ученые намерены попытаться синтезировать молекулу, используя новый наноразмерный электродвигатель, или использовать его как элемент более крупной молекулярной фабрики.
Немного рекламы
Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас, оформив заказ или порекомендовав знакомым, облачные VPS для разработчиков от $4.99, уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5–2697 v3 (6 Cores) 10GB DDR4 480GB SSD 1Gbps от $19 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).
Dell R730xd в 2 раза дешевле в дата-центре Maincubes Tier IV в Амстердаме? Только у нас 2 х Intel TetraDeca-Core Xeon 2x E5–2697v3 2.6GHz 14C 64GB DDR4 4×960GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $199 в Нидерландах! Dell R420 — 2x E5–2430 2.2Ghz 6C 128GB DDR3 2×960GB SSD 1Gbps 100TB — от $99! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5–2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?
