纳米技术里程碑：DNA马达达到30纳米/秒的速度

研究人员利用他们对分子马达的理解来改进纳米级人工马达，旨在弥合人工马达和运动蛋白之间的速度差距。

DNA纳米粒子马达就像它的名字一样：微小的人造马达利用DNA和RNA的结构，通过酶降解RNA来产生运动。简单来说，它们通过偏置布朗运动将化学能转化为机械运动。

这些马达通过一种被称为“烧桥”布朗棘轮的机制运转。在这个过程中，马达向前移动，因为它“燃烧”沿着衬底遇到的分子键（或“桥”）。这种退化使随机运动产生偏差，有效地推动电机向一个方向运动。

DNA纳米粒子马达具有高度可编程性，在分子计算、诊断和靶向运输方面具有潜在的应用前景。然而，它们缺乏天然对应的运动蛋白的速度和效率，这是一个重大的挑战。

这就是研究人员利用单粒子跟踪实验和基于几何的动力学模拟来分析、优化和重建更快的人工电机的地方。

速度瓶颈

“天然运动蛋白在生物过程中起着至关重要的作用，其速度为10-1000纳米/秒。“到目前为止，人工分子马达一直在努力接近这些速度，大多数传统设计的速度低于1纳米/秒，”该研究的第一作者兼研究员Takanori Harashima说。

研究人员于2025年1月16日在《自然通讯》上发表了他们的研究成果，提出了一个解决最紧迫的速度问题的方案：切换瓶颈。

实验和模拟表明，RNase H的结合是减缓整个过程的瓶颈。RNase H是一种参与基因组维持和分解马达中RNA/DNA杂交体中的RNA的酶。RNase H结合越慢，运动中的停顿时间就越长，这导致整体处理时间变慢。通过增加RNase H的浓度，速度明显提高，暂停时间从70秒减少到0.2秒左右。

然而，提高电机速度是以速度（分离前的步数）和运行长度（分离前电机运行的距离）为代价的。研究人员发现，更大的DNA/RNA杂交率可以改善速度和处理能力/运行长度之间的权衡，使模拟性能更接近运动蛋白的性能。

权衡和优化

该马达采用了重新设计的DNA/RNA序列，杂交率提高了3.8倍，速度达到30 nm/s，处理速率为200，运行长度为3 μm。这些结果表明，DNA纳米粒子马达在性能上可以与马达蛋白相媲美。

Harashima说：“最终，我们的目标是开发出性能超过天然运动蛋白的人工分子马达。”这些人造马达在基于马达运动的分子计算中非常有用，更不用说它们在诊断感染或疾病相关分子方面具有高灵敏度的优点。

本研究中进行的实验和模拟，为DNA纳米粒子和相关人工马达的未来及其测量运动蛋白的能力，以及它们在纳米技术中的应用提供了令人鼓舞的前景。

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