Ogni anno, i robot diventano sempre più realistici. Le api a energia solare volano su ali agili, gli umanoidi fanno i salti mortali, e squadre di bot di calcio studiano come dribblare, passaggio, e punteggio. E, più i ricercatori scoprono come si muovono le creature viventi, più macchine possono imitarli fino alle loro molecole più piccole.

"Abbiamo queste macchine incredibili già nei nostri corpi, e funzionano così bene, " ha detto Pallav Kosuri. "Semplicemente non sappiamo esattamente come funzionano."

Per decenni, i ricercatori hanno cercato modi per studiare come le macchine biologiche alimentano gli esseri viventi. Ogni movimento meccanico, dalla contrazione di un muscolo alla replicazione del DNA, si basa su motori molecolari che richiedono minuscoli, passi quasi impercettibili.

Cercare di vederli muoversi è come cercare di guardare una partita di calcio che si svolge sulla luna.

Ora, in un recente studio pubblicato su Natura , un team di ricercatori tra cui Xiaowei Zhuang, il David B. Arnold Professor of Science all'Università di Harvard e un investigatore dell'Howard Hughes Medical Institute, e lo studioso post-dottorato di Zhuang Lab Pallav Kosuri e Benjamin Altheimer, un dottorato di ricerca studente della Scuola di Specializzazione in Arti e Scienze, catturato i primi passi di rotazione registrati di un motore molecolare mentre si spostava da una coppia di basi del DNA a un'altra.

In collaborazione con Peng Yin, professore al Wyss Institute e alla Harvard Medical School, e il suo studente laureato Mingjie Dai, il team ha combinato l'origami del DNA con il monitoraggio di singola molecola ad alta precisione, creando una nuova tecnica chiamata ORBIT (imaging e tracciamento basati su rotori origami) per osservare le macchine molecolari in movimento.

Nei nostri corpi, alcuni motori molecolari marciano dritti attraverso le cellule muscolari, facendoli contrarre. altri riparano, replicare o trascrivere il DNA:questi motori interagenti con il DNA possono aggrapparsi a un'elica a doppio filamento e salire da una base all'altra, come salire su una scala a chiocciola.

Per vedere queste mini macchine in movimento, il team voleva sfruttare il movimento di torsione:in primo luogo, hanno incollato il motore che interagisce con il DNA a un supporto rigido. Una volta appuntato, il motore doveva ruotare l'elica per passare da una base all'altra. Così, se potessero misurare come ruota l'elica, potevano determinare come si muoveva il motore.

Ma c'era ancora un problema:ogni volta che un motore si muove su una coppia di basi, la rotazione sposta il DNA di una frazione di nanometro. Questo cambiamento è troppo piccolo per essere risolto anche con i microscopi ottici più avanzati.

Due penne a forma di eliche di elicotteri hanno dato vita a un'idea per risolvere questo problema:un'elica fissata al DNA rotante si muoverebbe alla stessa velocità dell'elica e, perciò, il motore molecolare Se potessero costruire un elicottero DNA, abbastanza grande da consentire la visualizzazione delle pale oscillanti del rotore, potevano catturare il movimento sfuggente del motore sulla fotocamera.

Per costruire eliche delle dimensioni di una molecola, Kosuri, Altheimer e Zhuang hanno deciso di utilizzare l'origami del DNA. Usato per creare arte, consegnare farmaci alle cellule, studiare il sistema immunitario, e altro ancora, L'origami del DNA comporta la manipolazione di fili per legarli in bellissimi, forme complicate al di fuori della tradizionale doppia elica.

"Se hai due filamenti complementari di DNA, si chiudono, " ha detto Kosuri. "Questo è quello che fanno." Ma, se un filamento è alterato per completare un filamento in un'elica diversa, possono trovarsi e chiudere la zip invece, tessere nuove strutture.

Per costruire le loro eliche origami, la squadra si è rivolta a Peng Yin, un pioniere della tecnologia degli origami. Con la guida di Yin e del suo studente laureato Dai, il team ha tessuto quasi 200 singoli frammenti di DNA in una forma simile a un'elica di 160 nanometri di lunghezza. Quindi, attaccarono le eliche a una normale doppia elica e alimentarono l'altra estremità a RecBCD, un motore molecolare che decomprime il DNA. Quando il motore si è messo in funzione, ha filato il DNA, torcendo l'elica come un cavatappi.

"Nessuno aveva visto questa proteina in realtà ruotare il DNA perché si muove molto velocemente, " ha detto Kosuri.

Il motore può spostarsi su centinaia di basi in meno di un secondo. Ma, con le loro eliche origami e una telecamera ad alta velocità che funziona a mille fotogrammi al secondo, il team ha potuto finalmente registrare i rapidi movimenti di rotazione del motore.

"Così tanti processi critici nel corpo coinvolgono interazioni tra proteine ​​e DNA, ", ha affermato Altheimer. Capire come funzionano o non funzionano queste proteine ​​potrebbe aiutare a rispondere a domande biologiche fondamentali sulla salute e le malattie umane.

Il team ha iniziato a esplorare altri tipi di motori a DNA. Uno, RNA polimerasi, si muove lungo il DNA per leggere e trascrivere il codice genetico in RNA. Ispirato da ricerche precedenti, il team ha teorizzato che questo motore potrebbe ruotare il DNA in passi di 35 gradi, corrispondente all'angolo tra due basi nucleotidiche adiacenti.

ORBIT ha dato loro ragione:"Per la prima volta, siamo stati in grado di vedere le rotazioni della singola coppia di basi che sono alla base della trascrizione del DNA, " disse Kosuri. Quei passaggi di rotazione sono, come previsto, intorno ai 35 gradi.

Milioni di eliche di DNA autoassemblanti possono stare in un solo vetrino da microscopio, il che significa che il team può studiarne centinaia o addirittura migliaia contemporaneamente, utilizzando una sola fotocamera collegata a un microscopio. Quel modo, possono confrontare e confrontare il modo in cui i singoli motori svolgono il loro lavoro.

"Non esistono due enzimi identici, " ha detto Kosuri. "È come uno zoo".

Una proteina del motore potrebbe balzare in avanti mentre un'altra si arrampica momentaneamente all'indietro. Ancora un altro potrebbe fermarsi su una base più a lungo di qualsiasi altra. La squadra non sa ancora esattamente perché si muovono come fanno. Armato di ORBIT, potrebbero presto.

ORBIT potrebbe anche ispirare nuovi progetti di nanotecnologia alimentati con fonti di energia biologica come l'ATP. "Quello che abbiamo realizzato è una nanomacchina ibrida che utilizza sia componenti progettati che motori biologici naturali, " disse Kosuri. Un giorno, tale tecnologia ibrida potrebbe essere la base letterale per i robot di ispirazione biologica.