Ученые совершили прорыв в области нанотехнологий, разработав ДНК-наночастичные моторы, чья скорость приближается к скорости природных моторных белков. Эти искусственные устройства, функционирующие за счет разрушения РНК ферментами, преобразуют химическую энергию в механическое движение, используя механизм «сжигаемого моста» и демонстрируя управляемое броуновское движение. Их потенциал огромен и включает молекулярные вычисления, диагностику и транспортировку на наноуровне.
Проблема заключалась в том, что традиционные ДНК-наночастичные моторы значительно уступали в скорости биологическим аналогам, которые достигают 10-1000 нм/с, в то время как искусственные аналоги едва преодолевали порог в 1 нм/с. Чтобы устранить этот недостаток, команда исследователей, включая Таканори Харашиму, провела кропотливый анализ, оптимизацию и перепроектирование искусственного мотора. Использование экспериментов по отслеживанию отдельных частиц и кинетического моделирования, основанного на геометрии, позволило выявить «узкое место» – связывание фермента RNase H.
RNase H играет ключевую роль в поддержании генома, расщепляя РНК в гибридах РНК/ДНК, находящихся внутри мотора. Выяснилось, что медленное связывание RNase H замедляет весь процесс, приводя к продолжительным паузам. Увеличив концентрацию RNase H, исследователи добились значительного сокращения пауз – с 70 секунд до примерно 0.2 секунды, что привело к заметному увеличению скорости мотора.
Однако, увеличение скорости было сопряжено с компромиссом – уменьшением процессивности (количества шагов до отсоединения) и длины пробега (расстояния до отсоединения). Для дальнейшего улучшения показателей мотора, ученые сосредоточились на повышении скорости гибридизации ДНК/РНК путем перепроектирования ДНК/РНК последовательностей. В итоге, скорость гибридизации возросла в 3.8 раза.
В результате этих инженерных решений, характеристики созданного мотора достигли впечатляющих значений: скорость 30 нм/с, процессивность 200 и длина пробега 3 мкм. Эти параметры приближают его к характеристикам природных моторных белков.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications в 2025 году (DOI: 10.), под названием «Рациональное конструирование ДНК-наночастичного мотора с высокой скоростью и процессивностью, сравнимой с моторными белками», открывает новые горизонты в области нанотехнологий.
Главным достижением работы является определение лимитирующей стадии в работе ДНК-наночастичного мотора – связывания RNase H, а также разработка метода повышения эффективности этой стадии, что ведет к увеличению скорости мотора.
Кроме того, исследование демонстрирует возможность решения проблемы компромисса между скоростью и другими характеристиками, такими как процессивность и длина пробега. Это свидетельствует о более комплексном улучшении производительности.
Ученые подчеркивают, что результаты их работы демонстрируют большой потенциал искусственных молекулярных моторов в будущем. Ожидается, что эти разработки найдут применение в молекулярных вычислениях, основанных на движении моторов, а также в высокочувствительной диагностике инфекций и заболеваний на молекулярном уровне.
Дальнейшие исследования направлены на разработку искусственных моторов, превосходящих по своим характеристикам природные белки, что откроет новые перспективы для развития нанотехнологий и биомедицины.
Изображение носит иллюстративный характер
Проблема заключалась в том, что традиционные ДНК-наночастичные моторы значительно уступали в скорости биологическим аналогам, которые достигают 10-1000 нм/с, в то время как искусственные аналоги едва преодолевали порог в 1 нм/с. Чтобы устранить этот недостаток, команда исследователей, включая Таканори Харашиму, провела кропотливый анализ, оптимизацию и перепроектирование искусственного мотора. Использование экспериментов по отслеживанию отдельных частиц и кинетического моделирования, основанного на геометрии, позволило выявить «узкое место» – связывание фермента RNase H.
RNase H играет ключевую роль в поддержании генома, расщепляя РНК в гибридах РНК/ДНК, находящихся внутри мотора. Выяснилось, что медленное связывание RNase H замедляет весь процесс, приводя к продолжительным паузам. Увеличив концентрацию RNase H, исследователи добились значительного сокращения пауз – с 70 секунд до примерно 0.2 секунды, что привело к заметному увеличению скорости мотора.
Однако, увеличение скорости было сопряжено с компромиссом – уменьшением процессивности (количества шагов до отсоединения) и длины пробега (расстояния до отсоединения). Для дальнейшего улучшения показателей мотора, ученые сосредоточились на повышении скорости гибридизации ДНК/РНК путем перепроектирования ДНК/РНК последовательностей. В итоге, скорость гибридизации возросла в 3.8 раза.
В результате этих инженерных решений, характеристики созданного мотора достигли впечатляющих значений: скорость 30 нм/с, процессивность 200 и длина пробега 3 мкм. Эти параметры приближают его к характеристикам природных моторных белков.
Исследование, опубликованное в журнале Nature Communications в 2025 году (DOI: 10.), под названием «Рациональное конструирование ДНК-наночастичного мотора с высокой скоростью и процессивностью, сравнимой с моторными белками», открывает новые горизонты в области нанотехнологий.
Главным достижением работы является определение лимитирующей стадии в работе ДНК-наночастичного мотора – связывания RNase H, а также разработка метода повышения эффективности этой стадии, что ведет к увеличению скорости мотора.
Кроме того, исследование демонстрирует возможность решения проблемы компромисса между скоростью и другими характеристиками, такими как процессивность и длина пробега. Это свидетельствует о более комплексном улучшении производительности.
Ученые подчеркивают, что результаты их работы демонстрируют большой потенциал искусственных молекулярных моторов в будущем. Ожидается, что эти разработки найдут применение в молекулярных вычислениях, основанных на движении моторов, а также в высокочувствительной диагностике инфекций и заболеваний на молекулярном уровне.
Дальнейшие исследования направлены на разработку искусственных моторов, превосходящих по своим характеристикам природные белки, что откроет новые перспективы для развития нанотехнологий и биомедицины.
