Un motore a cricchetto rotativo per origami DNA

Nov 05, 2023

Natura volume 607, pagine 492–498 (2022)Citare questo articolo

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Per impartire direzionalità ai movimenti di un meccanismo molecolare, è necessario superare le forze termiche casuali che sono onnipresenti su scale così piccole e in soluzione liquida a temperatura ambiente. In equilibrio senza fornitura di energia, il movimento direzionale non può essere sostenuto senza violare le leggi della termodinamica. In condizioni lontane dall'equilibrio termodinamico, il movimento direzionale può essere ottenuto nell'ambito dei meccanismi browniani, che sono meccanismi diffusivi che hanno rotto la simmetria di inversione1,2,3,4,5. Si ritiene che il cricchetto sia alla base della funzione di molti motori biologici naturali, come F1F0-ATPasi6,7,8, ed è stato dimostrato sperimentalmente in sistemi sintetici su microscala (ad esempio, a nostra conoscenza, prima nel rif. 3) e anche nei motori molecolari artificiali creati dalla sintesi chimica organica9,10,11,12. La nanotecnologia del DNA13 ha prodotto una varietà di meccanismi su scala nanometrica, tra cui perni, cerniere, cursori a manovella e sistemi rotanti14,15,16,17, che possono adottare diverse configurazioni, ad esempio innescate da reazioni di spostamento del filamento18,19 o modificando parametri ambientali come come pH, forza ionica, temperatura, campi esterni e accoppiando i loro movimenti a quelli delle proteine ​​motrici naturali20,21,22,23,24,25,26. Questo lavoro precedente e la considerazione delle dinamiche a basso numero di Reynolds e della stocasticità intrinseca27,28 ci hanno portato a sviluppare un motore rotativo su scala nanometrica costruito da origami di DNA azionato da un cricchetto e le cui capacità meccaniche si avvicinano a quelle dei motori biologici come F1F0-ATPasi.

Abbiamo utilizzato i metodi degli origami del DNA29,30 per progettare e fabbricare un piedistallo alto 40 nm e largo 30 nm su cui abbiamo fissato una piattaforma triangolare equilatera con bordi lunghi 60 nm e uno spessore di 13 nm (Fig. 1a-c e Figure supplementari 1 e 2). Una sezione del piedistallo che sporge attraverso la cavità centrale della piattaforma triangolare comprende un sito di aggancio per un braccio del rotore. Il sito di aggancio è fissato mediante un punto di articolazione costituito da tre nucleotidi spaiati vicino al punto medio della piattaforma triangolare sul piedistallo. Il braccio del rotore a sua volta è costituito da due moduli di aste rigide uniti end-to-end (ciascuno un origami di DNA separato) (Fig. 1d, e e Fig. 3 supplementare) con una lunghezza totale di 550 nm. La lunghezza del braccio del rotore è stata scelta per consentire di monitorare in tempo reale i cambiamenti di orientamento angolare dei singoli motori in un microscopio a fluorescenza a diffrazione limitata e per rallentare i movimenti angolari attraverso l'attrito viscoso con il solvente, ispirandosi ai classici esperimenti di Kinosita e altri che ha mostrato la rotazione dei singoli motori F1-ATPasi marcati con F-actina8. I moduli di bastoncelli erano costituiti da dieci doppie eliche di DNA disposte secondo uno schema reticolare a nido d'ape (Fig. 1d, e). È stato precedentemente dimostrato che tali fasci elicoidali hanno lunghezze di persistenza nel regime di diversi micrometri31. Il braccio del rotore può quindi essere considerato come un'asta rigida ma elastica. Il braccio del rotore sporge su entrambi i lati del punto di articolazione oltre i confini della piattaforma triangolare. Con questo design, il braccio del rotore è vincolato stericamente a rotazioni uniassiali attorno al punto di articolazione all'interno del piano del triangolo. Abbiamo anche installato ostacoli fisici sui tre bordi della piattaforma triangolare (Fig. 1c). Gli ostacoli sono costituiti da piastre rettangolari lunghe 18 nm che sporgono con un'inclinazione di circa 50° dalla superficie della piattaforma triangolare. Le piastre erano mantenute rigidamente a questa angolazione con una serie di distanziatori a doppia elica. Per superare gli ostacoli durante lo spazzamento sulla piattaforma triangolare, il braccio del rotore deve piegarsi verso l'alto. La flessione costituisce una barriera energetica che può intrappolare il rotore tra gli ostacoli in modo ponderato Boltzmann. Il motore include anche modifiche funzionali come porzioni di biotina e coloranti fluorescenti (Fig. 1f) per consentire l'osservazione sperimentale del movimento delle singole particelle motorie. Con le porzioni di biotina, gli statori possono essere fissati rigidamente ai vetrini di vetro del microscopio attraverso diversi legami biotina-neutravidina per statore, e i coloranti fluorescenti multipli sulle punte del braccio rotante consentono di determinarne l'orientamento utilizzando il tracciamento del centroide32 rispetto alla posizione dei vetrini separatamente piattaforma triangolare etichettata (Fig. 1f).