Современные достижения в области нанотехнологий открывают новые горизонты для искусственных молекулярных двигателей. Исследователи Университета Токио сообщили о значительном прогрессе в скорости двигателей на основе ДНК-наночастиц, которые теперь способны достигать 30 нанометров в секунду. Этот результат существенно сокращает разрыв в эффективности между искусственными молекулярными машинами и природными двигательными белками, которые играют ключевую роль в биологических процессах.
Искусственные молекулярные двигатели на основе ДНК представляют собой уникальные наноразмерные устройства, использующие структуры ДНК и РНК для создания направленного движения. Их работа основана на механизме броуновской трещотки, известном как принцип «сожженного моста». В процессе движения двигатель разрушает молекулярные связи, встречающиеся на его пути, эффективно продвигаясь в одном направлении. Этот метод позволяет преобразовывать химическую энергию в механическое движение, обходя ограничения традиционной броуновской динамики.
Главной проблемой, с которой сталкиваются искусственные молекулярные двигатели, является их низкая скорость. В то время как природные моторные белки могут двигаться со скоростью 10–1000 нанометров в секунду, большинство искусственных конструкций достигают не более 1 нанометра в секунду. В недавнем исследовании ученые сосредоточили внимание на выявлении узких мест, замедляющих работу ДНК-двигателей, и предложили пути их устранения.
В ходе экспериментов было выявлено, что основной проблемой является скорость связывания фермента РНКазы H, ответственного за расщепление РНК в гибридах РНК/ДНК. Медленное связывание РНКазы H приводит к длительным паузам в движении, замедляя общий процесс. Увеличение концентрации фермента позволило значительно ускорить работу двигателя: продолжительность пауз сократилась с 70 секунд до 0,2 секунды, что позволило достичь рекордных показателей.
Однако улучшение скорости сопровождалось снижением процессивности — количества шагов, которые двигатель может сделать до отсоединения, а также длины пробега. Чтобы устранить этот компромисс, исследователи сконструировали новый двигатель с переработанными последовательностями ДНК/РНК, что позволило увеличить скорость гибридизации в 3,8 раза. В результате удалось достичь скорости 30 нм/с при сохранении 200 процессивностей и длины пробега до 3 мкм.
Данный прорыв открывает новые возможности для применения ДНК-двигателей в нанотехнологиях. Они могут быть использованы в молекулярных вычислениях, диагностике инфекционных заболеваний и целевом транспорте лекарств. Искусственные молекулярные моторы обладают высокой степенью программирования и могут адаптироваться под различные задачи, что делает их незаменимыми в передовых биомедицинских исследованиях.
Экспериментальные результаты и модели показывают, что дальнейшее увеличение скорости искусственных двигателей возможно за счет оптимизации конструкции и использования более эффективных ферментов. Исследователи уверены, что в будущем искусственные моторы смогут не только сравниться, но и превзойти природные аналоги по скорости и эффективности.
Таким образом, работа над ускорением ДНК-двигателей представляет собой важный шаг в развитии молекулярной нанотехнологии. Внедрение таких инновационных решений может привести к созданию новых методов диагностики, терапии и управления биологическими процессами на уровне молекул, открывая перспективы для персонализированной медицины и биоинженерии.