С каждым годом роботы становятся все более и более реалистичными. Пчелы на солнечных батареях летают на гибких крыльях, гуманоиды делают сальто назад, а команды футбольных ботов разрабатывают стратегию ведения мяча, передачи и забивания. И чем больше исследователей узнают о том, как двигаются живые существа, тем больше машин смогут имитировать их вплоть до мельчайших молекул.
«В наших телах уже есть эти удивительные механизмы, и они работают так хорошо», - сказал Паллав Косури. «Мы просто не знаем точно, как они работают».
На протяжении десятилетий исследователи искали способы изучить, как биологические машины приводят в действие живые существа. Каждое механическое движение - от сокращения мышцы до репликации ДНК - опирается на молекулярные моторы, которые совершают крошечные, почти незаметные шаги.
Пытаться увидеть, как они двигаются, все равно что пытаться смотреть футбольный матч, происходящий на Луне.
Теперь, в недавнем исследовании, опубликованном в Nature, группа исследователей, включая Сяовэй Чжуана, профессора науки Гарвардского университета Дэвида Б. Арнольда и исследователя Медицинского института Говарда Хьюза, а также постдокторанта лаборатории Чжуан Паллава Косури и Бенджамин Альтеймер, доктор философии. студент Высшей школы искусств и наук зафиксировал первые зарегистрированные шаги вращения молекулярного двигателя, когда он перемещался от одной пары оснований ДНК к другой.
В сотрудничестве с Пэн Инем, профессором Института Висса и Гарвардской медицинской школы, и его аспирантом Минцзе Даем, команда объединила ДНК-оригами с высокоточным отслеживанием отдельных молекул, создав новую технику под названием ОРБИТА. визуализация и отслеживание на основе оригами-ротора - чтобы посмотреть на молекулярные машины в движении.
В нашем организме некоторые молекулярные моторы движутся прямо через мышечные клетки, заставляя их сокращаться. Другие восстанавливают, реплицируют или транскрибируют ДНК: эти моторы, взаимодействующие с ДНК, могут цепляться за двухцепочечную спираль и подниматься от одного основания к другому, словно поднимаясь по винтовой лестнице..
Чтобы увидеть эти мини-машины в движении, команда хотела воспользоваться преимуществом вращательного движения: во-первых, они приклеили двигатель, взаимодействующий с ДНК, к жесткой опоре. После закрепления двигатель должен был вращать спираль, чтобы перейти от одного основания к другому. Итак, если бы они могли измерить, как вращается спираль, они могли бы определить, как двигался двигатель.
Но осталась одна проблема: каждый раз, когда один мотор перемещается по одной паре оснований, вращение сдвигает ДНК на долю нанометра. Этот сдвиг слишком мал, чтобы его можно было разглядеть даже в самых современных световых микроскопах.
Две ручки, лежащие в форме пропеллеров вертолета, натолкнули на мысль решить эту проблему: пропеллер, прикрепленный к вращающейся ДНК, будет двигаться с той же скоростью, что и спираль, а значит, и молекулярный двигатель. Если бы они могли построить ДНК-вертолет, достаточно большой, чтобы можно было визуализировать качающиеся лопасти несущего винта, они могли бы запечатлеть неуловимое движение двигателя на камеру.
Чтобы построить пропеллеры размером с молекулу, Косури, Альтхаймер и Чжуан решили использовать ДНК-оригами. Используется для создания произведений искусства, доставки лекарств в клетки, изучения иммунной системы и многого другого. ДНК-оригами включает в себя манипулирование нитями, чтобы связать их в красивые, сложные формы за пределами традиционной двойной спирали.
«Если у вас есть две комплементарные нити ДНК, они застегиваются», - сказал Косури. «Вот что они делают». Но если одна нить изменена, чтобы дополнить нить другой спирали, они могут найти друг друга и вместо этого застегнуться, переплетая новые структуры.
Чтобы сконструировать пропеллеры оригами, команда обратилась к Пэн Инь, пионеру технологии оригами. Под руководством Иня и его аспиранта Дая команда сплела почти 200 отдельных фрагментов ДНК в пропеллерную форму длиной 160 нанометров. Затем они прикрепили пропеллеры к обычной двойной спирали и подключили другой конец к RecBCD, молекулярному мотору, расстегивающему ДНК. Когда мотор заработал, он закрутил ДНК, закрутив пропеллер, как штопор.
«Никто не видел, чтобы этот белок действительно вращал ДНК, потому что он движется очень быстро», - сказал Косури.
Мотор может перемещаться по сотням баз менее чем за секунду. Но с их пропеллерами оригами и высокоскоростной камерой, работающей со скоростью тысяча кадров в секунду, команда, наконец, смогла записать быстрые вращательные движения мотора.
«Очень многие критические процессы в организме связаны с взаимодействием между белками и ДНК», - сказал Альтхаймер. Понимание того, как эти белки работают или не работают, может помочь ответить на фундаментальные биологические вопросы о здоровье и болезнях человека.
Команда начала исследовать другие типы моторов ДНК. Одна из них, РНК-полимераза, перемещается по ДНК, считывая и транскрибируя генетический код в РНК. Вдохновленные предыдущими исследованиями, команда предположила, что этот двигатель может вращать ДНК с шагом в 35 градусов, что соответствует углу между двумя соседними нуклеотидными основаниями.
ORBIT доказали их правоту: «Впервые мы смогли увидеть вращение одиночных пар оснований, лежащее в основе транскрипции ДНК», - сказал Косури. Эти шаги вращения, как и предполагалось, составляют около 35 градусов.
Миллионы самособирающихся пропеллеров ДНК могут поместиться всего на одном предметном стекле микроскопа, а это означает, что команда может изучать сотни или даже тысячи из них одновременно, используя только одну камеру, прикрепленную к одному микроскопу. Таким образом, они могут сравнивать и сопоставлять, как отдельные двигатели выполняют свою работу.
«Нет двух одинаковых ферментов», - сказал Косури. «Это похоже на зоопарк».
Один моторный белок может прыгнуть вперед, в то время как другой на мгновение карабкается назад. Еще один может задержаться на одной базе дольше, чем на любой другой. Команда еще не знает точно, почему они двигаются именно так. Вооружившись ОРБИТОЙ, они скоро смогут это сделать.
ORBIT также может вдохновить на разработку новых нанотехнологий, работающих на биологических источниках энергии, таких как АТФ. «Мы создали гибридную наномашину, в которой используются как разработанные компоненты, так и естественные биологические двигатели», - сказал Косури. Однажды такая гибридная технология может стать буквально основой для биологических роботов.