Uma equipe internacional de cientistas desenvolveu recentemente um novo tipo de nanomotor feito de DNA. É acionado por um mecanismo inteligente e pode realizar movimentos pulsantes. Os pesquisadores agora estão planejando equipá-lo com um acoplamento e instalá-lo como um drive em nanomáquinas complexas. Seus resultados foram publicados na revista Nature Nanotechnology .



Petr Šulc, professor assistente da Escola de Ciências Moleculares da Universidade Estadual do Arizona e do Centro de Biodesign para Design Molecular e Biomimética, colaborou com o professor Famulok (líder do projeto) da Universidade de Bonn, Alemanha, e com o professor Walter da Universidade de Michigan neste projeto.

Šulc usou as ferramentas de modelagem computacional de seu grupo para obter insights sobre o design e a operação deste nanomotor de mola. A estrutura é composta por quase 14.000 nucleotídeos, que formam as unidades estruturais básicas do DNA.

“Ser capaz de simular movimento em uma nanoestrutura tão grande seria impossível sem oxDNA, o modelo computacional que nosso grupo usa para projetar e projetar nanoestruturas de DNA”, explica Šulc. "É a primeira vez que um motor de nanotecnologia de DNA alimentado quimicamente foi projetado com sucesso. Estamos muito entusiasmados com o fato de nossos métodos de pesquisa poderem ajudar em seu estudo e estamos ansiosos para construir nanodispositivos ainda mais complexos no futuro."

Este novo tipo de motor é semelhante a um treinador de força de preensão manual que fortalece sua aderência quando usado regularmente. No entanto, o motor é cerca de um milhão de vezes menor. Duas alças são conectadas por uma mola em uma estrutura em forma de V.

Em um treinador de força de preensão manual, você aperta as alças contra a resistência da mola. Depois de soltar o aperto, a mola empurra as alças de volta à posição original. “Nosso motor usa um princípio muito semelhante”, diz o professor Michael Famulok, do Instituto de Ciências Médicas e da Vida (LIMES) da Universidade de Bonn. "Mas as alças não são pressionadas juntas, mas sim unidas."

Os pesquisadores adaptaram um mecanismo sem o qual não existiriam plantas ou animais na Terra. Cada célula está equipada com uma espécie de biblioteca. Ele contém os planos para todos os tipos de proteínas que cada célula precisa para desempenhar sua função. Se a célula quiser produzir um determinado tipo de proteína, ela encomenda uma cópia do respectivo modelo. Esta transcrição é produzida por enzimas chamadas RNA polimerases.

RNA polimerases conduzem os movimentos pulsantes

O projeto original consiste em longos filamentos de DNA. As RNA polimerases se movem ao longo dessas fitas e copiam as informações armazenadas, letra por letra.

“Pegamos uma RNA polimerase e a prendemos a uma das alças da nossa nanomáquina”, explica Famulok, que também é membro das áreas de pesquisa transdisciplinar “Vida e Saúde” e “Matéria” da Universidade de Bonn.

"Na proximidade, também esticamos uma fita de DNA entre as duas alças. A polimerase agarra essa fita para copiá-la. Ela se puxa ao longo da fita e a seção não transcrita se torna cada vez menor. Isso puxa a segunda alça um pouco por mordeu em direção ao primeiro, comprimindo a mola ao mesmo tempo."

A fita de DNA entre as alças contém uma sequência específica de letras pouco antes de seu final. Esta chamada sequência de terminação sinaliza à polimerase que ela deve liberar o DNA. A mola agora pode relaxar novamente e afastar as alças. Isto aproxima a sequência inicial da cadeia da polimerase e a copiadora molecular pode iniciar um novo processo de transcrição:o ciclo então se repete.

“Dessa forma, nosso nanomotor realiza uma ação pulsante”, explica Mathias Centola, do grupo de pesquisa liderado pelo professor Famulok, que realizou grande parte dos experimentos.

Uma sopa de letrinhas serve como combustível

Este motor também precisa de energia como qualquer outro tipo de motor. É fornecido pela “sopa de letrinhas” a partir da qual a polimerase produz as transcrições. Cada uma dessas letras (na terminologia técnica:nucleotídeos) tem uma pequena cauda composta por três grupos fosfato – um trifosfato.

Para anexar uma nova letra a uma frase existente, a polimerase tem de remover dois destes grupos fosfato. Isso libera energia que pode ser usada para unir as letras. “Nosso motor usa trifosfatos de nucleotídeos como combustível”, diz Famulok. "Ele só pode continuar a funcionar quando um número suficiente deles estiver disponível."

Os pesquisadores conseguiram demonstrar que o motor pode ser facilmente combinado com outras estruturas. Isto deverá permitir-lhe, por exemplo, vaguear por uma superfície – semelhante a uma lagarta que se puxa ao longo de um ramo no seu próprio estilo característico.

“Também estamos planejando produzir um tipo de embreagem que nos permitirá utilizar a potência do motor apenas em determinados momentos e deixá-lo em marcha lenta”, explica Famulok. No longo prazo, o motor poderá se tornar o coração de uma nanomáquina complexa. “No entanto, ainda há muito trabalho a ser feito antes de chegarmos a esta fase.”

O laboratório de Šulc é altamente interdisciplinar e aplica amplamente os métodos de física estatística e modelagem computacional a problemas de química, biologia e nanotecnologia. O grupo desenvolve novos modelos multiescala para estudar interações entre biomoléculas, particularmente no contexto de design e simulações de nanoestruturas e dispositivos de DNA e RNA.

"Assim como as máquinas complexas no nosso uso diário - aviões, carros e chips na electrónica - requerem ferramentas sofisticadas de design assistido por computador para garantir que desempenham uma função desejada, há uma necessidade premente de ter acesso a tais métodos nas ciências moleculares. "

A professora Tijana Rajh, diretora da Escola de Ciências Moleculares, disse:"Petr Šulc e seu grupo estão fazendo ciência molecular extremamente inovadora, usando métodos de química computacional e física para estudar moléculas de DNA e RNA no contexto da biologia, bem como da nanotecnologia. . Nossos membros mais jovens do corpo docente da Escola de Ciências Moleculares têm um histórico extraordinário de realizações, e o Professor Šulc é um exemplo nesse aspecto."

Bio-nanotecnologia

DNA e RNA são as moléculas básicas da vida. Eles cumprem muitas funções, incluindo armazenamento e transferência de informações em células vivas. Eles também têm aplicações promissoras no campo da nanotecnologia, onde cadeias projetadas de DNA e RNA são usadas para montar estruturas e dispositivos em nanoescala.

Como explica Šulc:"É um pouco como brincar com blocos de Lego, exceto que cada bloco de Lego tem apenas alguns nanômetros (um milionésimo de milímetro) de tamanho e, em vez de colocar cada bloco no lugar onde deveria ir, você coloque-os dentro de uma caixa e sacuda aleatoriamente até sair apenas a estrutura desejada."

Este processo é chamado de automontagem, e Šulc e seus colegas usam modelagem computacional e software de design para criar os blocos de construção que se montam de forma confiável na forma desejada em resolução em nanoescala.

“As aplicações promissoras deste campo incluem diagnóstico, terapêutica, robótica molecular e construção de novos materiais”, diz Šulc.

"Meu laboratório desenvolveu o software para projetar esses blocos, e trabalhamos em estreita colaboração com grupos experimentais da ASU, bem como de outras universidades nos EUA e na Europa. É emocionante ver nossos métodos usados ​​para projetar e caracterizar nanoestruturas de complexidade crescente, como o O campo progride e alcançamos novos designs avançados e os operamos com sucesso em nanoescala."

Mais informações: Um nanomotor de origami de DNA de folha de primavera pulsando ritmicamente que aciona um seguidor passivo, a Nanotecnologia da Natureza (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01516-x. www.nature.com/articles/s41565-023-01516-x
Informações do diário: Nanotecnologia da Natureza

Fornecido pela Arizona State University