นักวิจัยจาก สถาบันวิทยาศาสตร์โมเลกุล มีวัตถุประสงค์เพื่อปรับระดับความแตกต่างของความเร็วระหว่างมอเตอร์เทียมและโปรตีนมอเตอร์โดยการปรับปรุงมอเตอร์เทียมระดับนาโนโดยใช้ความเข้าใจเกี่ยวกับมอเตอร์โมเลกุล การศึกษาถูกตีพิมพ์ใน การสื่อสารธรรมชาติ–
เครดิตภาพ: Takanori Harashima
มอเตอร์ DNA-nanoparticle เป็นมอเตอร์เทียมขนาดเล็กที่ใช้โครงสร้าง RNA และ DNA เพื่อขับเคลื่อนการเคลื่อนที่ผ่านการย่อยสลาย RNA ของเอนไซม์ การเคลื่อนไหวของ Brownian นั้นมีอคติในการแปลงพลังงานเคมีให้เป็นการเคลื่อนไหวเชิงกล
มอเตอร์ DNA-nanoparticle ใช้กลไก “Burnt-Bridge” Brownian Ratchet กลไก การย่อยสลาย (หรือ “การเผาไหม้”) ของพันธะ (หรือ “สะพาน”) ที่มอเตอร์ข้ามไปตามพื้นผิวเป็นตัวขับเคลื่อนการเคลื่อนไหวประเภทนี้อย่างมีประสิทธิภาพทำให้การเคลื่อนไหวของมอเตอร์ส่งไปข้างหน้าอย่างมีประสิทธิภาพ
มอเตอร์ขนาดนาโนที่ตั้งโปรแกรมได้สูงเหล่านี้สามารถสร้างขึ้นได้สำหรับการขนส่งการวินิจฉัยและแอปพลิเคชันการคำนวณระดับโมเลกุล ปัญหาคือมอเตอร์ DNA-nanoparticle ไม่เร็วเท่ากับคู่หูทางชีวภาพของพวกเขาโปรตีนมอเตอร์แม้จะมีอัจฉริยะ นักวิจัยใช้การจำลองจลน์ตามรูปทรงเรขาคณิตและการทดลองติดตามอนุภาคเดี่ยวเพื่อวิเคราะห์เพิ่มประสิทธิภาพและสร้างมอเตอร์ประดิษฐ์ที่เร็วขึ้น
โปรตีนมอเตอร์ธรรมชาติมีบทบาทสำคัญในกระบวนการทางชีวภาพด้วยความเร็ว 10-1000 nm/s จนถึงขณะนี้มอเตอร์โมเลกุลเทียมพยายามดิ้นรนเพื่อเข้าใกล้ความเร็วเหล่านี้ด้วยการออกแบบทั่วไปส่วนใหญ่ที่ได้รับน้อยกว่า 1 นาโนเมตร–
Takanori Harashima นักวิจัยและการศึกษาผู้เขียนคนแรกสถาบันวิทยาศาสตร์โมเลกุล
การสลับคอขวดเป็นทางออกที่แนะนำสำหรับปัญหาความเร็ว การทดลองและการจำลองแสดงให้เห็นว่าการผูกมัดของ RNase H ทำหน้าที่เป็นคอขวดทำให้กระบวนการทั้งหมดช้าลง
RNase H แบ่ง RNA ในลูกผสม RNA/DNA ในมอเตอร์และมีส่วนร่วมในการบำรุงรักษาจีโนม เวลาในการประมวลผลทั้งหมดที่ช้าลงเป็นผลมาจากการเคลื่อนไหวหยุดชั่วคราวที่เกิดจากการเชื่อมต่อ RNase H ช้าลง ความเร็วเพิ่มขึ้นอย่างมีนัยสำคัญโดยการเพิ่มความเข้มข้นของ RNase H ลดระยะเวลาหยุดชั่วคราวจาก 70 วินาทีเป็นประมาณ 0.2 วินาที
อย่างไรก็ตามความยาวของการวิ่ง (ระยะทางมอเตอร์เดินทางก่อนที่จะแยกออก) และกระบวนการ (จำนวนขั้นตอนก่อนที่จะปลด) ถูกเสียสละเพื่อเพิ่มความเร็วมอเตอร์ จากข้อมูลของนักวิจัยพบว่าอัตราการผสมพันธุ์ DNA/RNA ที่สูงขึ้นสามารถเพิ่มการแลกเปลี่ยนระหว่างความเร็วและความยาวกระบวนการ/การทำงานทำให้ประสิทธิภาพการจำลองใกล้เคียงกับโปรตีนมอเตอร์
มอเตอร์ที่ได้รับการออกแบบทางวิศวกรรมมีความเร็ว 30 นาโนเมตร/วินาที, 200 กระบวนการและความยาวรัน 3 μmพร้อมลำดับ DNA/RNA ที่ออกแบบใหม่และเพิ่มอัตราการผสมพันธุ์ 3.8 เท่า การศึกษาแสดงให้เห็นว่ามอเตอร์ DNA-nanoparticle สามารถทำงานได้เช่นเดียวกับโปรตีนมอเตอร์
ในที่สุดเรามุ่งมั่นที่จะพัฒนามอเตอร์โมเลกุลเทียมที่เหนือกว่าโปรตีนมอเตอร์ธรรมชาติในการปฏิบัติงาน–
Takanori Harashima นักวิจัยและการศึกษาผู้เขียนคนแรกสถาบันวิทยาศาสตร์โมเลกุล
มอเตอร์เทียมเหล่านี้มีประโยชน์อย่างมากในการคำนวณระดับโมเลกุลตามการเคลื่อนไหวของมอเตอร์และศักยภาพในการวินิจฉัยที่ไวต่อการติดเชื้อหรือโมเลกุลที่เกี่ยวข้องกับโรค
การจำลองและการทดลองที่ดำเนินการในการศึกษาครั้งนี้นำเสนออนาคตที่มีแนวโน้มสำหรับอนุภาคนาโน DNA และมอเตอร์เทียมที่เกี่ยวข้องความสามารถในการเลียนแบบโปรตีนมอเตอร์และการใช้งานในนาโนเทคโนโลยี
นักวิจัย Ryota Iino, Akihiro Otomo และ Takanori Harashima จากสถาบันบัณฑิตเพื่อการศึกษาขั้นสูงที่ Sokendai และสถาบันวิทยาศาสตร์โมเลกุลที่สถาบันวิทยาศาสตร์ธรรมชาติแห่งชาติเข้าร่วมการศึกษานี้
การศึกษาครั้งนี้ได้รับทุนสนับสนุนจากทุนวิจัยมูลนิธิสึวะวาสำหรับปีงบประมาณ 20123, JST ACT-X “ชีวิตและข้อมูล”, การช่วยเหลือด้านการวิจัยการเปลี่ยนแปลง (A) (เสนอการวิจัยสาธารณะ) “วิทยาศาสตร์วัสดุของ Meso-Hierarchy” และ ” โมเลกุลไซเบอร์เนติกส์ “, มอบความช่วยเหลือสำหรับการวิจัยทางวิทยาศาสตร์เกี่ยวกับพื้นที่นวัตกรรม” เครื่องยนต์โมเลกุล “, JST ACT-X” ชีวิตและข้อมูล “และ JSPS Kakenhi
การอ้างอิงวารสาร:
Harashima, T. , et al– (2025) วิศวกรรมเหตุผลของมอเตอร์ DNA-nanoparticle ที่มีความเร็วสูงและกระบวนการใกล้เคียงกับโปรตีนมอเตอร์ การสื่อสารธรรมชาติ doi.org/10.1038/S41467-025-56036-0
แหล่งที่มา: