微小的人造馬達利用DNA和RNA的結構，透過酵素RNA 降解產生運動。 簡單地說，它們透過偏布朗運動將化學能轉化為機械運動。研究人員利用他們對分子馬達的理解來改進奈米級人造馬達，旨在縮小人造馬達和馬達蛋白之間的速度差距。

DNA 奈米粒子馬達能與馬達蛋白一起加速嗎？ 圖片來源：插圖：Takanori Harashima

這些馬達透過一種被稱為”燒橋”布朗棘輪的機制運作。 在這過程中，馬達在”燒毀”沿其基質遇到的分子鍵（或”橋”）時向前運動。 這種降解會使隨機運動產生偏差，從而有效地推動馬達朝一個方向運動。

DNA 奈米粒子馬達具有很強的可編程性，在分子計算、診斷和定向運輸方面具有潛在的應用前景。 然而，它們在速度和效率上都無法與自然界中的馬達蛋白相提並論，這就帶來了巨大的挑戰。

這正是研究人員利用單粒子追蹤實驗和基於幾何的動力學模擬來分析、優化和重建速度更快的人工馬達的用武之地。

“天然馬達蛋白在生物過程中發揮著至關重要的作用，其速度可達10-1000 nm/s。 到目前為止，人工分子馬達還難以達到這樣的速度，大多數傳統設計的速度還不到1 nm/s，”該研究的第一作者、研究員Takanori Harashima 說。

研究人員於2025 年1 月16 日在Nature Communications上發表了他們的研究成果，提出了解決最緊迫的速度問題的方案：轉換瓶頸。

實驗和模擬顯示，RNase H 的結合是整個過程變慢的瓶頸。 RNase H 是一種參與基因組維護的酶，能分解馬達中RNA/DNA 雜交體中的RNA。 RNase H 的結合速度越慢，運動停頓的時間就越長，導致整體處理時間變慢。 透過增加RNase H 的濃度，速度明顯提高，停頓時間從70 秒減少到0.2 秒左右。

然而，馬達速度的提高是以過程性（脫離前的步數）和運轉長度（馬達在脫離前的運轉距離）為代價的。 研究人員發現，可以透過提高DNA/RNA雜交率來改善速度與處理能力/運行長度之間的權衡，使模擬性能更接近馬達蛋白質的性能。

重新設計的DNA/RNA 序列和雜交率提高了3.8 倍的工程馬達實現了30 奈米/秒的速度、200 加工率和3 微米的運行長度。 這些結果表明，DNA 奈米粒子馬達的性能已可與馬達蛋白質相媲美。

Harashima說：”最終，我們的目標是開發出性能超越天然馬達蛋白的人工分子馬達。這些人工分子馬達在基於馬達運動的分子計算方面非常有用，更不用說它們在高靈敏度診斷感染或疾病相關分子方面的優點了。

本研究中的實驗和模擬為DNA 奈米粒子和相關人工馬達的未來及其測量馬達蛋白的能力以及在奈米技術中的應用提供了令人鼓舞的前景。

編譯自/ ScitechDaily