Молекулярный мотор из двух колец ДНК научили двигаться по заданному маршруту

Химики синтезировали молекулярный наномотор, состоящий из двух колец ДНК и присоединенного к ним фермента. При работе наномотора происходит вращение одного из колец ДНК, а также синтез молекулы РНК, которая остается прикрепленной к ферменту. Используя взаимодействие синтезируемой цепочки РНК с подложкой, наномотор можно направить по заранее заданному маршруту, пишут ученые в Nature Nanotechnology.

Молекулы со структурой катенана представляют собой два кольцевых молекулярных фрагмента, механически между собой соединенных в цепочку. Химической связи между двумя элементами молекулы не образуется и связаны они оказываются только топологически. Известно, что молекулы с подобной цепочечной структурой могут быть образованы как углеводородным скелетом с ароматическими и гетероциклическими группами, так и, например, молекулами ДНК. За счет возможности свободного вращения колец в такой структуре катенаны и родственные им ротаксаны часто используются в качестве элементов молекулярных машин. Например, именно благодаря подобным молекулам работают молекулярные турникеты и некоторые типы молекулярных насосов.

Группа немецких и американских химиков под руководством Микаэля Фамулока (Michael Famulok) из Боннского университета синтезировала биогибридный молекулярный мотор с катенановой структурой, который состоит из двух кольцевых цепочек ДНК и способен двигаться по заранее заданному маршруту. Каждое из колец в синтезированном катенане имеет свою функцию: большое кольцо, состоящее из 210 пар нуклеотидов, служит вращающимся «колесом», а маленькое кольцо из 168 пар нуклеотидов — своеобразным моторчиком для этого колеса. Вращение колеса осуществляется за счет фермента, присоединенного одновременно к обеим цепочкам ДНК, — РНК-полимеразы, работа которой осуществляется за счет гидролиза нуклеозидтрифосатов (например, АТФ). Размер всей системы составляет около 30 нанометров.

Используемый для движения молекулярного мотора фермент состоит из двух фрагментов, один из которых присоединяется к маленькому кольцу ДНК, а второй — к большому кольцу. При этом к более маленькому неподвижному нанокольцу, который выполняет функцию статора, фермент прикрепляется жесткой связью, а к большому подвижному кольцу с функцией ротора — так, чтобы фермент перемещался по двойной спирали ДНК, осуществляя ее вращение. Таким образом подвижное кольцо может вращаться со скоростью от 0,08 до 0,11 оборотов в минуту.

Побочным продуктом при работе мотора становится молекула РНК, которая остается прикрепленной к ферменту. Эту цепочку ученые предлагают использовать для того, чтобы заставить катенановый наномотор двигаться по заранее заданному маршруту.

В качестве направляющих для движения мотора авторы исследования предложили использовать нанотрубки из ДНК, к которым с определенным интервалом прикреплены небольшие одноцепочечные олигонуклеотиды. Изначально неподвижное кольцо молекулярного мотора закрепляется в одной из позиций на нанотрубке, после чего запускается вращение роторной части мотора и синтезируемая при этом молекула РНК за счет присоединения к торчащим наружу цепочкам заставляет мотор «перепрыгивать» вдоль нанотрубки. С помощью такого движения ученым удалось переместить наномотор вдоль нанотрубки на расстояние в несколько сотен нанометров.

Ученые отмечают, что предложенная ими архитектура достаточно простая и ее конфигурацию можно менять в зависимости от целей. Таким образом можно получать сложные биогибридные молекулярные машины, состоящие из большого количества элементов, работающих за счет гидролиза нуклеозидтрифосфатов.

Катенаны — не единственный пример сложных молекулярных структур с топологической связью, которая обеспечивается не химическим взаимодействием между атомами, а механически — за счет «запутывания» молекулярной структуры. Например, в прошлом году британские химики синтезировали рекордно сложную молекулу-узел с восемью перекрещиваниями молекулярной цепочки в своей структуре общей длиной 192 атома.

Александр Дубов