DNA、折纸与分子马达
2019-07-26 20:00

DNA、折纸与分子马达

本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),撰文: 二宗主,头图来自视觉中国


1.


近年来,机器人变得越来越逼真。例如,由太阳能驱动的蜜蜂能用轻盈的翅膀飞行,人形的机器人可以做后空翻,机器人足球队懂得如何运球、传球、制定得分策略。随着研究人员对生物运动理解得更深刻,就能创造出越来越多可以模仿生物运动的机器,从宏观尺度一直到最小的分子尺度。


几十年来,研究人员一直在寻找能研究生物机器是如何驱动生物的方法。无论是收缩肌肉还是复制DNA,无论是物质运输还是细胞分裂,在分子水平上,生命体的一切机械运动都依赖于能采用微弱到几乎无法被检测到的旋转角度的分子马达。之所以被称为分子马达,是因为这是一些具有马达功能的蛋白质大分子。试图看清这些分子马达的运动就好比试图从地球上观看在月球上进行的足球比赛。


在最近发表于《自然》杂志的一项研究中,由哈佛大学的庄小威教授与哈佛医学院的尹鹏教授等研究人员利用DNA折纸技术,首次记录了一个分子马达在从一个DNA碱基对移动到下一个时的旋转角度。


○ 庄小威教授(2019年生命科学领域突破奖获得者)。| 图片来源:Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer


尹教授是DNA折纸领域的先驱,他与他的学生Mingjie Dai将DNA折纸与高精度单分子示踪相结合,创建了一种新的技术——ORBIT(意为基于折纸转子的成像和示踪)来观察分子机器的运动。


2.


在我们体内,有的分子马达会直接穿过肌肉细胞,导致肌肉收缩;还有一些会负责修复、复制或转录DNA,所有的这一类基因组处理反应都会产生DNA旋转:与DNA作用的分子马达会紧紧抓住一条双螺旋链,像爬上一座螺旋的楼梯一样从一个碱基爬到另一个碱基。然而,测量这种DNA旋转却是一项非常艰巨的任务。


为了观察这些微型机器的运动,研究小组想要利用这种扭转运动。首先,他们将与DNA作用的分子马达固定在一个刚性支架上。一旦固定了,它就必须旋转螺旋以从一个碱基移到下一个碱基。所以,如果他们能测量螺旋是如何旋转的,就能确定马达分子是如何运动的。但研究人员面临着另一个问题:每当一个马达分子穿过一个碱基对时,旋转就会使DNA移动几分之一纳米。这种移动实在是太微弱,即便用最先进的光学显微镜也无法检测。


研究人员从两支被摆成直升机螺旋桨形状的笔中获得灵感,得到了一个解决方案:如果将这样一个螺旋桨固定在转动的DNA上,那么螺旋桨旋转的速度将会与DNA螺旋结构的运动速度一样,从而也就得到了分子马达的速度。


于是,难题就变成了,要如何才能建造一架这样的“DNA直升机”,它的大小需要刚好能显现旋翼叶片的摆动,使得摄影机能捕捉到马达分子那难以捉摸的运动。


3.


这便是DNA折纸技术施展魅力的地方了。研究人员决定用这种技术来建造分子大小的螺旋桨。在此之前,这种技术常被用于艺术创造、向细胞输送药物、研究免疫系统,以及一些其他用途,比如控制DNA链,让它们形成有别于传统双螺旋结构的其他复杂、漂亮的形状。


○ ORBIT示意图:用一个DNA折纸转子,对一个双链DNA相对于固定在表面的马达蛋白的旋转进行了扩增和检测。| 图片来源:Pallav Kosuri/Zhuang Lab


利用精进的折纸技术,研究人员将200个左右的DNA片段编织成160纳米长的螺旋桨状。然后,他们将螺旋桨固定在一个常规的双螺旋结构上,并将另一端与解旋酶RecBCD相接,这是一种与DNA修复有关的分子马达。当分子马达开始运作时,它会转动DNA,像一个螺旋开酒器一样使螺旋桨旋转。


这个分子马达可以在不到一秒钟的时间内移动过数百个碱基。在此之前,没人见过这种分子马达转动DNA,因为它转动得太快了。在折纸螺旋桨和以每秒1000帧的速度运行的高速摄像机的帮助下,研究人员终于得以记录下这种高速的旋转运动。


○ 高速摄像机记录下的螺旋桨的转动。| 图片来源:Pallav Kosuri/Zhuang Lab


4.


人体的许多关键过程都与蛋白质和DNA之间的相互作用有关,了解这些蛋白质是如何运作或失效的,或许会有助于回答有关人类健康和疾病的基本生物学问题。现在,研究小组已经开始探索其他类型的DNA马达,其中一种就是RNA聚合酶,这种分子马达会沿着DNA移动,读取遗传密码并将其转录成RNA。


受到过去一些研究的启发,研究人推测,这种分子马达或许会以35度的角度旋转DNA,因为这个角度对应于相邻的两个核苷酸碱基之间的角度。这次,通过ORBIT技术的帮助,研究人员验证了他们的推测是正确的,他们首次观测到了作为DNA转录基础的单碱基对的旋转,而且与预测的一样,其旋转角度果然约为35度。


而且,这项技术还有另一个巨大的优势,那就是一片显微镜载玻片就可以装在数以百万计的自组装DNA螺旋桨,这意味着研究小组可以用一个显微镜上的一个摄像头,同时研究数百个甚至数千个这样DNA螺旋桨。如此一来,他们就可以比对每个分子马达的工作性能。


没有任何两个分子马达是相同的。一个马达蛋白或许会向前跳跃,而另一个可能会暂时性地向后爬行,又或者还有一个会在某个碱基上停留相当久的时间……目前,研究人员尚不清楚这些分子马达为什么会这样移动,不过他们相信在ORBIT技术的帮助下,或许答案很快就能揭晓。


除此之外,ORBIT的概念或许还能启发其他研究人员出设计出新的以生物能源为动力(如ATP)的纳米技术。论文的第一作者Pallav Kosuri博士介绍说,这一新的技术是一种混合型纳米机器,它既使用了已设计好的部件,也使用了天然的生物马达。有一天,这种混合型技术或许会成为仿生机器人的真正基础。


参考来源:

https://news.harvard.edu/gazette/story/2019/07/harvard-researchers-create-dna-propellers/

https://www.nature.com/articles/s41586-019-1397-7


本文来自微信公众号:原理(ID:principia1687),撰文: 二宗主,头图来自视觉中国

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