国際科学者チームは最近、DNA から作られた新しいナノエンジンを開発しました。脈動的な動きを可能にする独創的なメカニズムによって駆動されます。研究者らは現在、これにカプラーを装備し、複雑なナノマシンのドライバーとして使用することを計画している。彼らの研究結果は、10月19日に学術誌「Nature Nanotechnology」に掲載された。
アリゾナ州立大学分子科学部および分子設計および生体模倣バイオデザインセンターの助教授であるペトル・シュルク氏は、ドイツのボン大学のファムロック教授（プロジェクトリーダー）およびミシガン大学のウォルター教授とこのプロジェクトに協力しました。
シュルク氏は、研究グループのコンピューター モデリング ツールを使用して、この板バネ式ナノエンジンの設計と動作についての洞察を得ました。この構造は、DNA の基本構成要素を形成する約 14,000 個のヌクレオチドで構成されています。
シュルク氏は次のように説明する。「我々のグループがDNAナノ構造を設計するために使用したコンピューターモデルoxDNAがなければ、このような大きなナノ構造の動きをシミュレートすることは不可能だったでしょう。化学的に駆動されるDNAナノテクノロジーモーターの設計に成功したのはこれが初めてです。私たちの研究方法がその研究に貢献したことを嬉しく思い、将来的にはより複雑なナノデバイスを作成することを楽しみにしています。」
この新しいエンジンはハンドグリップトレーナーに似ており、定期的に使用することで握力を強化できます。しかし、このエンジンは約100万分の1の大きさです。 2 つのハンドルはバネによって V 字構造に接続されています。
ハンド グリップ トレーナーでは、ハンドルがバネの抵抗を受けて互いに押し付けられます。手を放すと、バネによりハンドルが所定の位置に戻ります。 「私たちのモーターは非常によく似た原理を使用しています」とボン大学生命医科学研究所（LIMES）のマイケル・ファムロック教授は語った。 「しかし、ハンドルは押し付けられるのではなく、引っ張られるのです。」
研究者たちは、それがなければ地球上に植物や動物が存在しないであろうメカニズムを再利用しました。各セルにはライブラリが備えられています。これには、各細胞がその機能を実行するために必要なさまざまな種類のタンパク質の設計図が含まれています。細胞が特定の種類のタンパク質を生成したい場合、対応する設計図のコピーを作成します。この転写物は、RNA ポリメラーゼと呼ばれる酵素によって生成されます。
元の設計図は長い DNA 鎖で構成されています。 RNA ポリメラーゼはこれらの鎖に沿って移動し、保存された情報を 1 文字ずつコピーします。 「私たちはRNAポリメラーゼをナノマシンのハンドルに取り付けました」とボン大学の学際的研究分野「生命と健康」と「物質」のメンバーでもあるファムロック氏は説明する。 「2 つのハンドルの間には、しっかりと接続された DNA 鎖もあります。ポリメラーゼはこの鎖をつかんでコピーします。ポリメラーゼは鎖に沿って自らを引っ張り、コピーされない部分はどんどん小さくなっていきます。これにより、2 番目のハンドルが最初のハンドルに向かって少しずつ引っ張られ、同時にバネが圧縮されます。」
ハンドル間の DNA 鎖には、終わりの直前に特別な文字列が含まれています。このいわゆる終結配列は、ポリメラーゼに DNA を解放するよう信号を送ります。バネが再び緩み、ハンドルを引き離すことができます。このようにして、鎖の開始配列はポリメラーゼに近く、分子レプリケーターは新しい転写プロセスを開始することができます。 「このようにして、私たちのナノモーターは脈動動作を実行できるのです」とファムロック教授率いる研究グループのマティアス・チェントラ氏は説明する。
他のタイプのモーターと同様に、このタイプのモーターはエネルギーを必要とします。エネルギーは、ポリメラーゼによって生成される転写物の「アルファベットスープ」によって提供されます。各文字 (専門用語: ヌクレオチド) には、3 つのリン酸基 (三リン酸) で構成される小さな尾部があります。既存の文に新しい文字を付加するには、ポリメラーゼが文から 2 つのリン酸基を除去する必要があります。これによりエネルギーが放出され、文字を結合するために使用されます。 「したがって、私たちのエンジンは燃料としてヌクレオチド三リン酸を使用します。エンジンは、十分な量のヌクレオチド三リン酸がある場合にのみ動作し続けることができます。」
研究者らは、モーターが他の構造と簡単に組み合わせられることを示すことができました。これにより、たとえば、シャクトリムシが特有の方法で枝に沿って自分自身を引っ張るように、表面を横切って歩き回ることが可能になります。 「特定の時間にのみモーターの力を使用し、他の時間はアイドリング状態にしておくことができるクラッチも製造する予定です」とファムロック氏は説明した。長期的には、モーターは複雑なナノマシンの中核となる可能性があります。ただし、この段階に到達するまでにやるべきことはまだたくさんあります。 」
シュルクの研究室は、統計物理学と計算モデリング手法を化学、生物学、ナノテクノロジーの分野の幅広い問題に適用する高度に学際的な研究室です。研究グループは、特に DNA および RNA のナノ構造およびデバイスの設計とモデリングにおいて、生体分子間の相互作用を研究するための新しいマルチスケール モデルを開発しました。
「飛行機、自動車、電子機器のチップなど、私たちが毎日使用している複雑な機械が意図したとおりに機能するためには高度なコンピューター支援設計ツールが必要であるのと同じように、分子科学の分野でもそのような手法へのアクセスが切実に必要とされています。」分子科学学部長のティジャナ・ラージ教授は、「ペトル・シュルク氏と彼の研究グループは、計算化学と物理学の手法を用いて、生物学とナノテクノロジーの文脈でDNAとRNA分子を研究するという、非常に革新的な分子科学研究を行っている。分子科学学部の若い教員たちは並外れた成果を上げており、シュルク教授はその良い例だ」と語った。
DNA と RNA は生命の基本的な分子です。それらは、生細胞内での情報の保存や情報伝達など、さまざまな機能を果たします。また、設計された DNA 鎖と RNA 鎖を使用してナノスケールの構造やデバイスを組み立てることができる、ナノテクノロジーの分野でも幅広い応用の可能性があります。これはレゴで遊ぶのと少し似ていますが、各レゴ ブロックのサイズはわずか数ナノメートル (100 万分の 1 ミリメートル) です。それぞれのレンガを所定の場所に置くのではなく、箱の中に入れて、目的の構造だけが現れるまで振ります。
「この分野には、診断、治療、分子ロボット工学、新材料の構築など、多くの有望な応用分野がある」とシュルク氏は語った。 「私の研究室は、これらの構成要素を設計するためのソフトウェアを開発し、アリゾナ大学や米国およびヨーロッパの他の大学の実験グループと緊密に連携しています。この分野が進歩し続け、新しい高度な設計を実装し、ナノスケールでの実行に成功するにつれて、ますます複雑になるナノ構造の設計と特性評価に私たちの手法が使用されているのを見るのは興奮しています。」