I chimici fisici hanno ideato un motore rotante basato sul DNA che è 1, 000 volte più veloce di qualsiasi altro motore a DNA sintetico, dandogli potenziale per applicazioni del mondo reale, come la diagnostica delle malattie. Nanotecnologia della natura sta pubblicando la scoperta.

"A differenza di altri motori sintetici a base di DNA, che usano le gambe per 'camminare' come minuscoli robot, il nostro è il primo motore a DNA rotante, rendendolo molto più veloce e robusto, "dice Khalid Salaita, il chimico della Emory University che ha guidato la ricerca. "È come l'equivalente biologico dell'invenzione della ruota per il campo delle macchine del DNA".

La velocità del nuovo motore basato sul DNA, che è alimentato da ribonucleasi H, significa che un semplice microscopio per smartphone può catturare il suo movimento attraverso il video. I ricercatori hanno depositato un brevetto di divulgazione dell'invenzione per il concetto di utilizzo del movimento delle particelle del loro motore molecolare rotante come sensore per qualsiasi cosa, da una singola mutazione del DNA in un campione biologico ai metalli pesanti nell'acqua.

"Il nostro metodo offre un modo di fare low cost, diagnostica low-tech in ambienti con risorse limitate, " dice Salaita.

Il campo dei motori sintetici a base di DNA, noto anche come nano-walker, ha circa 15 anni. I ricercatori stanno cercando di duplicare l'azione dei nano-camminatori della natura. miosina, Per esempio, sono minuscoli meccanismi biologici che "camminano" sui filamenti per trasportare i nutrienti in tutto il corpo umano.

"È il massimo della fantascienza, " Salaita dice della ricerca per creare piccoli robot, o nano-bot, che potrebbe essere programmato per eseguire le tue offerte. "La gente ha sognato di inviare nano-bot per consegnare farmaci o per riparare problemi nel corpo umano".

Finora, però, gli sforzi dell'umanità sono stati molto al di sotto della miosina della natura, che accelera senza sforzo per le sue commissioni biologiche. "La capacità della miosina di convertire l'energia chimica in energia meccanica è sorprendente, " dice Salaita. "Sono i motori più efficienti che conosciamo oggi."

Alcuni nano-camminatori sintetici si muovono su due gambe. Sono essenzialmente enzimi costituiti da DNA, alimentato dal catalizzatore RNA. Questi nano-camminatori tendono ad essere estremamente instabili, a causa degli alti livelli di moto browniano su scala nanometrica. Altre versioni con quattro, e anche sei, le gambe si sono dimostrate più stabili, ma molto più lento. Infatti, il loro ritmo è glaciale:un motore basato sul DNA a quattro zampe avrebbe bisogno di circa 20 anni per spostarsi di un centimetro.

Kevin Yehl, un borsista post-dottorato nel laboratorio Salaita, ha avuto l'idea di costruire un motore basato sul DNA utilizzando una sfera di vetro di dimensioni micron. Centinaia di filamenti di DNA, o "gambe, " possono legarsi alla sfera. Queste gambe di DNA sono poste su un vetrino rivestito con il reagente:RNA.

Le gambe del DNA sono attratte dall'RNA, ma non appena ci mettono piede sopra lo distruggono attraverso l'attività di un enzima chiamato RNasi H. Quando le gambe si legano e poi si liberano dal substrato, guidano la sfera lungo, consentendo a più gambe del DNA di continuare a legarsi e a tirare.

"Si chiama meccanismo a ponte bruciato, "Spiega Salaita. "Ovunque passino le gambe del DNA, calpestano e distruggono il reagente. Devono continuare a muoversi e fare un passo dove non hanno fatto per trovare più reagenti".

La combinazione del movimento rotatorio, e la velocità dell'enzima RNasi H su un substrato, conferisce al nuovo motore DNA la sua stabilità e velocità.

"Il nostro motore basato sul DNA può percorrere un centimetro in sette giorni, invece di 20 anni, facendolo 1, 000 volte più veloce delle versioni precedenti, " dice Salaita. "Infatti, i motori naturali della miosina sono solo 10 volte più veloci dei nostri, e ci sono voluti miliardi di anni per evolversi."

I ricercatori hanno dimostrato che i loro motori rotanti possono essere utilizzati per rilevare una singola mutazione del DNA misurando lo spostamento delle particelle. Hanno semplicemente incollato lenti da due economici puntatori laser alla fotocamera di uno smartphone per trasformare il telefono in un microscopio e catturare video del movimento delle particelle.

"Utilizzando uno smartphone, possiamo ottenere una lettura per qualsiasi cosa interferisca con la reazione enzima-substrato, perché questo cambierà la velocità della particella, " dice Salaita. "Per esempio, possiamo rilevare una singola mutazione in un filamento di DNA".

Questo semplice, un metodo a bassa tecnologia potrebbe tornare utile per eseguire il rilevamento diagnostico di campioni biologici sul campo, o ovunque con risorse limitate.

La prova che i motori rotolano è arrivata per caso, Salaita aggiunge. Durante i loro esperimenti, due delle sfere di vetro occasionalmente si incastravano l'una nell'altra, o dimerizzato. Invece di fare un sentiero errante, hanno lasciato un paio di etero, tracce parallele sul substrato, come un tosaerba che taglia l'erba.

"È il primo esempio di motore molecolare sintetico che va in linea retta senza una traccia o un campo magnetico che lo guidi, " dice Salaita.

Oltre a Salaita e Yehl, i coautori sul Nanotecnologia della natura carta includono i ricercatori Emory Skanda Vivek, Yang Liu, Yun Zhang, Eric Weeks, Andrew Mugler (che ora è alla Purdue University) e Mengzhen Fan (Oxford University).