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华体会在线平台网站:有点火!分子马达连续3篇NatureScience!
发布时间:2022-09-29 04:50:03 | 来源:华体会hth登录入口 作者:华体会综合网页版

  为了赋予微观尺度的分子运动以方向性,必须克服在如此小规模和环境温度下的液体溶液中普遍存在的随机涨落的热力。在没有能量供应的平衡中,如果不违反热力学定律,就无法维持定向运动。在远离热力学平衡的条件下,定向运动可以在布朗棘轮的框架内实现,这是一种破坏了反演对称性的扩散机制。棘轮作用被认为是许多天然生物马达功能的基础,例如 F1F0-ATP酶,并且它已在合成微尺度系统和有机化学合成产生的人工分子马达中进行了实验证明。DNA纳米技术已经产生了多种纳米级机制,包括枢轴、铰链、曲柄滑块和旋转系统,它们可以采用不同的配置,例如,由链置换反应或通过改变环境参数如pH值、离子强度、温度、外部场等,并将它们的运动与天然运动蛋白的运动耦合。

  近日,来自德国慕尼黑工业大学的Hendrik Dietz和德国马普所与英国牛津大学的Ramin Golestanian团队开发了一种由DNA折纸制成的纳米级旋转分子马达,该分子马达由棘轮驱动,其机械性能接媲美F1F0-ATPase等生物分子马达。该项工作以题为“A DNA origami rotary ratchet motor”发表在《Nature》上。

  作者使用DNA 折纸的方法设计和制造了一个40纳米高和30纳米宽的基座,并在其上固定了一个边长60纳米、厚度为13纳米的等边三角形平台。穿过三角形平台的中心腔突出的基座部分包括用于转子臂的对接位置。停靠点通过一个支点固定,该支点由靠近基座上三角形平台中点的三个不成对的核苷酸组成。转子臂依次由两个端对端连接的刚性杆模块组成,总长度为550纳米。棒状模块由十个以蜂窝格子图案排列的DNA双螺旋组成。转子臂可以被视为刚性但有弹性的杆。还在三角形平台的三个边缘安装了物理障碍物。障碍物由18 nm 长的矩形板组成,从三角形平台的表面倾斜约50°突出。用一组双螺旋垫片将板牢固地固定在这个角度。扫过三角平台时,为了克服障碍,转子臂必须向上弯曲。弯曲构成了一个能量屏障,可以以玻尔兹曼加权方式将转子困在障碍物之间。该分子马达还包括功能修饰,例如生物素部分和荧光染料,以实现对单个马达粒子运动的实验观察。

  为了引发不对称或偏置的棘轮效应,作者使用电极施加非旋转交流电场。该电场引起沿固定轴流过样品室的交变离子电流。这种外部调制产生的时间平均净力为零。这种外部调制可以在每个场周期产生动能不对称,从而导致马达以优选的旋转方向移动。

  作者合成了具有特定形状的DNA纳米折纸,并在一锅反应混合物中对各组分进行组装。使用凝胶电泳迁移率分析评估了自组装的质量,并使用3D电子密度图验证了机器复合体的3D形状。在分辨率范围内,电子密度图显示了所有的主要结构特征,包括障碍物和转子坞。此外,作者还通过负染色透射电子显微镜成像验证了具有全长转子臂的完整机器复合体的正确组装。

  作者使用质心跟踪从单粒子TIRF 视频中更准确地确定每帧的转子臂方向。在平衡状态下,即当外部场关闭时,分子马达粒子显示出无偏随机旋转运动,累积角位移消失。当打开交流场时,约32.2%的分子马达粒子立即从随机、无方向旋转变为具有方向偏差的过程旋转。作者记录的最大角速度约为每分钟250圈,并且当电场打开时,相等数量的电机在顺时针和逆时针方向上连续旋转。每个分子马达粒子的旋转方向和有效角速度可以通过交流场轴相对于分子马达粒子转动的方向来控制。对于大多数马达,我们观察到其速度对电场方向的正弦依赖性,包括失速和方向反转。

  根据记录的数据,可以估计扭矩和机器对环境所做的功,这些功以长转子臂与溶剂的摩擦阻力的形式消散。基于观察到的最大角速度25弧度s−1 (1500° s−1),我们得出了大约10 pN nm的最大扭矩,这可以与F1F0-ATPase 可以产生的50 pN nm进行比较。我们的分子马达在摩擦中耗散的估计最大功率为250 pN nm s-1(62 kBT s-1),这相当于在细胞条件下每秒水解约2.5个ATP分子所释放的自由能。

  作者还测试了马达在具有负载状态下产生的扭矩。设计了在枢轴点处包含扭转弹簧的机器变体。扭转弹簧由一个单链DNA环组成,一端固定在基座上,另一端固定在转子臂上。转子旋转会将环作为熵弹簧缠绕在转子枢轴连接处。一旦上紧弹簧产生的扭矩平衡了电机提供的最大扭矩,绕组就会产生恢复力,最终使电机失速。张紧的弹簧然后用作能量储存器,当外部能量供应被关闭时,该能量储存器可以沿相反方向驱动转子,直到弹簧再次松弛。当交流场打开时,带有扭簧的单个粒子显示出持续旋转,直到停转,然后在交流场关闭后立即开始向相反方向持续旋转。

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  示例性单分子马达粒子轨迹,AC 场首先关闭,然后打开。左,示例性单个粒子的原始视频。黄色十字表示转子臂尖端的跟踪位置。打开交流场时,粒子有效地沿顺时针方向旋转。右图,转子叶尖的累积角位移。原始视频以每秒250帧的速度采集。

  总结,在此工作中,作者设计、合成组装并表征了可以媲美生物体中F1F0-ATPase转子马达的人造分子马达。该马达可以在交变电场的驱动下可逆的转动,并输出与生物体中的分子机器具有相同数量级的功。同时在具有负载的情况下,该电控分子马达也可以输出较大的有效功率。这一研究为人造体系达到并超越生物体系提供了一个极佳的平台和例子,为未来纳米材料的发展开辟了一个新的启发。

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