Todo ano, os robôs ficam cada vez mais parecidos com a vida. As abelhas movidas a energia solar voam com asas flexíveis, humanóides dão cambalhotas, e times de bots de futebol criam estratégias para driblar, passar, e pontuação. E, quanto mais pesquisadores descobrem sobre como as criaturas vivas se movem, quanto mais máquinas podem imitá-los até suas menores moléculas.

"Já temos essas máquinas incríveis em nossos corpos, e eles funcionam tão bem, "disse Pallav Kosuri." Nós simplesmente não sabemos exatamente como eles funcionam. "

Por décadas, pesquisadores têm buscado maneiras de estudar como as máquinas biológicas acionam os seres vivos. Cada movimento mecânico - desde a contração de um músculo até a replicação do DNA - depende de motores moleculares que levam minúsculos, etapas quase indetectáveis.

Tentar vê-los se movendo é como assistir a um jogo de futebol acontecendo na lua.

Agora, em um estudo recente publicado em Natureza , uma equipe de pesquisadores, incluindo Xiaowei Zhuang, o David B. Arnold Professor de Ciências da Harvard University e Howard Hughes Medical Institute Investigator, e o pós-doutorado do Zhuang Lab Pallav Kosuri e Benjamin Altheimer, um Ph.D. aluno da Escola de Pós-Graduação em Artes e Ciências, capturou os primeiros passos rotacionais registrados de um motor molecular à medida que ele se movia de um par de bases de DNA para outro.

Em colaboração com Peng Yin, professor do Wyss Institute e da Harvard Medical School, e seu aluno de pós-graduação Mingjie Dai, a equipe combinou origami de DNA com rastreamento de molécula única de alta precisão, criando uma nova técnica chamada ORBIT - imagem e rastreamento baseados em rotor de origami - para observar as máquinas moleculares em movimento.

Em nossos corpos, alguns motores moleculares marcham direto através das células musculares, fazendo com que eles se contraiam. Outros reparam, replicar ou transcrever o DNA:esses motores que interagem com o DNA podem se agarrar a uma hélice de fita dupla e subir de uma base para a outra, como subir uma escada em espiral.

Para ver essas mini máquinas em movimento, a equipe queria tirar vantagem do movimento de torção:primeiro, eles colaram o motor de interação com o DNA a um suporte rígido. Depois de fixado, o motor tinha que girar a hélice para ir de uma base a outra. Então, se eles pudessem medir como a hélice girava, eles podiam determinar como o motor se movia.

Mas ainda havia um problema:cada vez que um motor se move em um par de bases, a rotação desloca o DNA em uma fração de nanômetro. Essa mudança é muito pequena para resolver até mesmo com os microscópios de luz mais avançados.

Duas canetas em forma de hélices de helicóptero geraram uma ideia para resolver este problema:uma hélice presa ao DNA giratório se moveria na mesma velocidade da hélice e, Portanto, o motor molecular. Se eles pudessem construir um helicóptero de DNA, apenas grande o suficiente para permitir que as lâminas do rotor oscilantes sejam visualizadas, eles podiam capturar o movimento evasivo do motor na câmera.

Para construir hélices do tamanho de moléculas, Kosuri, Altheimer e Zhuang decidiram usar origami de DNA. Usado para criar arte, entregar drogas às células, estudar o sistema imunológico, e mais, O origami de DNA envolve a manipulação de fios para se ligarem a formas complicadas fora da hélice dupla tradicional.

"Se você tem duas fitas complementares de DNA, eles fecham, "Kosuri disse." Isso é o que eles fazem. "Mas, se uma fita for alterada para complementar uma fita em uma hélice diferente, eles podem se encontrar e fechar, tecendo novas estruturas.

Para construir suas hélices de origami, a equipe se voltou para Peng Yin, um pioneiro da tecnologia de origami. Com a orientação de Yin e seu aluno de graduação Dai, a equipe teceu quase 200 pedaços individuais de fragmentos de DNA em uma forma semelhante a uma hélice de 160 nanômetros de comprimento. Então, eles anexaram hélices a uma dupla hélice regular e alimentaram a outra extremidade para RecBCD, um motor molecular que descompacta o DNA. Quando o motor começou a funcionar, girou o DNA, torcendo a hélice como um saca-rolhas.

"Ninguém tinha visto essa proteína girar o DNA porque ela se move super-rápido, "Kosuri disse.

O motor pode se mover por centenas de bases em menos de um segundo. Mas, com suas hélices de origami e uma câmera de alta velocidade rodando a mil quadros por segundo, a equipe pôde finalmente registrar os rápidos movimentos rotacionais do motor.

"Muitos processos críticos no corpo envolvem interações entre proteínas e DNA, ", disse Altheimer. Compreender como essas proteínas funcionam - ou deixam de funcionar - pode ajudar a responder a questões biológicas fundamentais sobre a saúde e as doenças humanas.

A equipe começou a explorar outros tipos de motores de DNA. 1, RNA polimerase, avança ao longo do DNA para ler e transcrever o código genético em RNA. Inspirado por pesquisas anteriores, a equipe teorizou que este motor poderia girar o DNA em etapas de 35 graus, correspondendo ao ângulo entre duas bases de nucleotídeos vizinhas.

ORBIT provou que eles estavam certos:"Pela primeira vez, pudemos ver as rotações de um único par de bases que fundamentam a transcrição do DNA, "Kosuri disse. Essas etapas de rotação são, como previsto, cerca de 35 graus.

Milhões de hélices de DNA automontáveis ​​podem caber em apenas uma lâmina de microscópio, o que significa que a equipe pode estudar centenas ou até milhares deles de uma vez, usando apenas uma câmera acoplada a um microscópio. Dessa maneira, eles podem comparar e contrastar como os motores individuais realizam seu trabalho.

"Não existem duas enzimas idênticas, "Kosuri disse." É como um zoológico.

Uma proteína motora pode saltar à frente enquanto outra momentaneamente retrocede. Ainda outro pode fazer uma pausa em uma base por mais tempo do que qualquer outro. A equipe ainda não sabe exatamente por que se move dessa maneira. Armado com ORBIT, eles logo poderão.

ORBIT também pode inspirar novos projetos de nanotecnologia movidos a fontes de energia biológica como ATP. "O que fizemos é uma nanomáquina híbrida que usa componentes projetados e motores biológicos naturais, "Kosuri disse. Um dia, essa tecnologia híbrida pode ser a base literal para robôs de inspiração biológica.