آیا نانوذرات DNA می‌توانند با پروتئین‌های موتوری همگام شوند؟

موتورهای نانوذره‌ای DNA: انقلابی در حرکت مصنوعی

موتورهای نانوذره‌ای DNA، همان‌طور که از نامشان پیداست، موتورهای کوچکی هستند که از ساختارهای DNA و RNA برای ایجاد حرکت از طریق تجزیه آنزیمی RNA استفاده می‌کنند. به طور کلی، انرژی شیمیایی به حرکت مکانیکی تبدیل می‌شود و این کار با ایجاد حرکت براونی انجام می‌گیرد.

این موتورها از مکانیزم «راکت براونی پل سوخته» استفاده می‌کنند. در این نوع حرکت، موتور با تجزیه (یا «سوزاندن») پیوندها (یا «پل‌ها») که در طول زیرلایه عبور می‌کند، به جلو رانده می‌شود و در واقع حرکت آن به سمت جلو تسهیل می‌شود. این موتورها که در ابعاد نانو هستند، به شدت قابل برنامه‌ریزی بوده و می‌توانند برای محاسبات مولکولی، تشخیص و حمل و نقل طراحی شوند.

با وجود هوش بالای این موتورها، موتورهای نانوذره‌ای DNA به سرعت همتایان بیولوژیکی خود، یعنی پروتئین‌های حرکتی، نمی‌رسند و اینجاست که مشکل اصلی وجود دارد. محققان به بررسی، بهینه‌سازی و بازسازی موتورهای مصنوعی سریع‌تر با استفاده از آزمایش ردیابی ذره‌ای و شبیه‌سازی کینتیک مبتنی بر هندسه می‌پردازند. تاکانوری هاراشیما، محقق و نویسنده اول مطالعه، می‌گوید: «پروتئین‌های حرکتی طبیعی نقش‌های اساسی در فرآیندهای بیولوژیکی ایفا می‌کنند و سرعتی بین ۱۰ تا ۱۰۰۰ نانومتر در ثانیه دارند. تا کنون، موتورهای مولکولی مصنوعی نتوانسته‌اند به این سرعت‌ها نزدیک شوند و بیشتر طراحی‌های متداول کمتر از ۱ نانومتر در ثانیه را به دست آورده‌اند.»

محققان کار خود را در تاریخ ۱۶ ژانویه ۲۰۲۵ در نشریه Nature Communications منتشر کردند و راه‌حلی پیشنهادی برای یکی از مهم‌ترین مشکلات، یعنی سرعت، ارائه دادند: تغییر گلوگاه. آزمایش و شبیه‌سازی نشان داد که پیوند RNase H، گلوگاه اصلی است که در آن کل فرآیند کند می‌شود. RNase H آنزیمی است که در نگهداری ژنوم نقش دارد و RNA را در هیبریدهای RNA/DNA در موتور تجزیه می‌کند. هر چه پیوند RNase H کندتر انجام شود، وقفه‌های حرکتی طولانی‌تر می‌شود که این امر منجر به زمان پردازش کلی کندتر می‌گردد.

افزایش سرعت موتورها با افزایش غلظت RNase H

با افزایش غلظت RNase H، سرعت به طرز قابل توجهی بهبود یافت و زمان‌های توقف از ۷۰ ثانیه به حدود ۰.۲ ثانیه کاهش پیدا کرد. با این حال، افزایش سرعت موتور به قیمت کاهش پروسسیتی (تعداد مراحل قبل از جدا شدن) و طول حرکت (مسافتی که موتور قبل از جدا شدن طی می‌کند) تمام شد. محققان دریافتند که این تعادل بین سرعت و پروسسیتی/طول حرکت می‌تواند با افزایش نرخ هیبریداسیون DNA/RNA بهبود یابد و عملکرد شبیه‌سازی شده را به عملکرد پروتئین‌های موتوری نزدیک‌تر کند.

عملکرد موتور مهندسی‌شده

موتور مهندسی‌شده، با توالی‌های DNA/RNA بازطراحی‌شده و افزایش ۳.۸ برابری در نرخ هیبریداسیون، به سرعت ۳۰ نانومتر در ثانیه، پروسسیتی ۲۰۰ و طول حرکت ۳ میکرومتر دست یافت. این نتایج نشان می‌دهد که موتور نانوذره‌ای DNA اکنون در عملکرد خود قابل مقایسه با پروتئین‌های موتوری است. هاراشیما گفت: “در نهایت، هدف ما توسعه موتورها‌ی مولکولی مصنوعی است که در عملکرد از پروتئین‌های موتوری طبیعی پیشی بگیرند.”

کاربردهای موتورها‌ی مولکولی مصنوعی

این موتورها‌ی مصنوعی می‌توانند در محاسبات مولکولی بر اساس حرکت موتور بسیار مفید باشند و همچنین در تشخیص عفونت‌ها یا مولکول‌های مرتبط با بیماری با حساسیت بالا کاربرد داشته باشند. آزمایش و شبیه‌سازی‌های انجام شده در این مطالعه چشم‌انداز امیدوارکننده‌ای برای آینده موتورها‌ی نانوذره‌ای DNA و موتورها‌ی مصنوعی مرتبط و توانایی آن‌ها در مقایسه با پروتئین‌های موتوری و همچنین کاربردهایشان در نانو فناوری فراهم می‌کند.

تیم تحقیقاتی

تیم تحقیقاتی شامل تاکانوری هاراشیما، آکیهرو اوتومو و ریوتا اینو از مؤسسه علوم مولکولی در مؤسسات ملی علوم طبیعی و مؤسسه تحصیلات تکمیلی برای مطالعات پیشرفته در SOKENDAI بود. این کار با حمایت JSPS KAKENHI، کمک‌های مالی برای مناطق تحقیقاتی تحول‌آفرین (A) (تحقیقات عمومی) “علم مواد مِزو-هیرارکی” (۲۴H017۳۲) و “سایبرنتیک مولکولی” (۲۳H۰۴۴۳۴)، و همچنین کمک مالی برای تحقیقات علمی در زمینه‌های نوآورانه “موتور مولکولی” (۱۸H۰۵۴۲۴)، و کمک مالی برای دانشمندان جوان (۲۳K۱۳۶۴۵) و JST ACT-X “زندگی و اطلاعات” (MJAX۲۴LE) و کمک مالی بنیاد تسوگاوا برای سال مالی ۲۰۲۳ پشتیبانی شد.