Químicos físicos desenvolveram um motor baseado em DNA rolante que é 1, 000 vezes mais rápido do que qualquer outro motor de DNA sintético, dando potencial para aplicações do mundo real, como diagnósticos de doenças. Nature Nanotechnology está publicando a descoberta.

"Ao contrário de outros motores baseados em DNA sintético, que usam pernas para 'andar' como pequenos robôs, o nosso é o primeiro motor de DNA rolante, tornando-o muito mais rápido e robusto, "diz Khalid Salaita, o químico da Emory University que liderou a pesquisa. "É como o equivalente biológico da invenção da roda para o campo das máquinas de DNA."

A velocidade do novo motor baseado em DNA, que é alimentado por ribonuclease H, significa que um simples microscópio de smartphone pode capturar seu movimento por meio de vídeo. Os pesquisadores entraram com uma patente de divulgação de invenção para o conceito de usar o movimento das partículas de seu motor molecular giratório como um sensor para tudo, desde uma única mutação de DNA em uma amostra biológica até metais pesados ​​na água.

"Nosso método oferece uma maneira de fazer baixo custo, diagnósticos de baixa tecnologia em ambientes com recursos limitados, "Salaita diz.

O campo dos motores baseados em DNA sintético, também conhecidos como nano caminhantes, tem cerca de 15 anos. Os pesquisadores estão se esforçando para duplicar a ação dos nano caminhantes da natureza. Miosina, por exemplo, são minúsculos mecanismos biológicos que "andam" sobre filamentos para transportar nutrientes por todo o corpo humano.

"É o que há de mais moderno em ficção científica, "Salaita fala sobre a busca pela criação de pequenos robôs, ou nano-bots, que pode ser programado para fazer seu lance. "As pessoas sonham em enviar nanobots para entregar drogas ou para consertar problemas no corpo humano."

Até aqui, Contudo, os esforços da humanidade ficaram muito aquém da miosina da natureza, que acelera sem esforço em suas tarefas biológicas. "A capacidade da miosina de converter energia química em energia mecânica é impressionante, "Salaita diz." Eles são os motores mais eficientes que conhecemos hoje. "

Alguns nano caminhantes sintéticos movem-se sobre duas pernas. Eles são essencialmente enzimas feitas de DNA, alimentado pelo RNA catalisador. Esses nano caminhantes tendem a ser extremamente instáveis, devido aos altos níveis de movimento browniano na escala nano. Outras versões com quatro, e mesmo seis, as pernas se mostraram mais estáveis, mas muito mais lento. Na verdade, seu ritmo é glacial:um motor de quatro patas baseado em DNA precisaria de cerca de 20 anos para se mover um centímetro.

Kevin Yehl, um pós-doutorado no laboratório de Salaita, teve a ideia de construir um motor baseado em DNA usando uma esfera de vidro de tamanho mícron. Centenas de fitas de DNA, ou "pernas, "podem se ligar à esfera. Essas pernas de DNA são colocadas em uma lâmina de vidro revestida com o reagente:RNA.

As pernas do DNA são atraídas para o RNA, mas assim que pisam nele, eles o destroem por meio da atividade de uma enzima chamada RNase H. À medida que as pernas se ligam e depois se liberam do substrato, eles guiam a esfera ao longo, permitindo que mais pernas do DNA continuem se ligando e puxando.

"É chamado de mecanismo de ponte queimada, "Salaita explica." Onde quer que as pernas do DNA pisem, eles atropelam e destroem o reagente. Eles têm que continuar se movendo e pisar onde não pisaram, a fim de encontrar mais reagente. "

A combinação do movimento de rolamento, e a velocidade da enzima RNase H em um substrato, dá ao novo motor de DNA sua estabilidade e velocidade.

"Nosso motor baseado em DNA pode viajar um centímetro em sete dias, em vez de 20 anos, tornando-o 1, 000 vezes mais rápido do que as versões anteriores, "Salaita diz." Na verdade, os motores de miosina da natureza são apenas 10 vezes mais rápidos que os nossos, e levaram bilhões de anos para evoluir. "

Os pesquisadores demonstraram que seus motores giratórios podem ser usados ​​para detectar uma única mutação de DNA medindo o deslocamento de partículas. Eles simplesmente colaram lentes de dois ponteiros laser baratos na câmera de um smartphone para transformar o telefone em um microscópio e capturar vídeos do movimento das partículas.

"Usando um smartphone, podemos obter uma leitura de qualquer coisa que esteja interferindo na reação enzima-substrato, porque isso vai mudar a velocidade da partícula, "Salaita diz." Por exemplo, podemos detectar uma única mutação em uma fita de DNA. "

Tão simples, método de baixa tecnologia pode ser útil para fazer a detecção diagnóstica de amostras biológicas no campo, ou em qualquer lugar com recursos limitados.

A prova de que os motores rolam veio por acidente, Salaita acrescenta. Durante seus experimentos, duas das esferas de vidro ocasionalmente ficavam grudadas, ou dimerizado. Em vez de fazer uma trilha errante, eles deixaram um par de reta, trilhas paralelas em todo o substrato, como um cortador de grama cortando grama.

"É o primeiro exemplo de um motor molecular sintético que segue em linha reta sem uma trilha ou campo magnético para guiá-lo, "Salaita diz.

Além de Salaita e Yehl, os co-autores no Nature Nanotechnology papel inclui pesquisadores Emory Skanda Vivek, Yang Liu, Yun Zhang, Eric Weeks, Andrew Mugler (que agora está na Purdue University) e Mengzhen Fan (Oxford University).