形似「握力器」的新型DNA奈米引擎 具疾病诊断治疗应用潜力

美国亚利桑那州立大学（Arizona State University）、密西根大学（University of Michigan），以及德国波恩大学（University of Bonn）的跨国研究团队，近期共同开发出一种由DNA制成的新型奈米引擎，它能以巧妙的机制执行快速、瞬间性的运动或震动（又称脉冲运动，pulsing movement）。团队现阶段预计再加装一个连接器於其中，希望能作为此DNA奈米引擎的驱动装置，本篇研究目前已发表於《自然奈米技术》（Nature Nanotechnology）。
亚利桑那州立大学的助理教授舒尔克（Petr Šulc）使用电脑建模工具，分析DNA奈米引擎中板片弹簧（leafspring）的设计和运作，此结构由近1万4000个核苷酸所组成，而这些核苷酸则是形成DNA的基本单元结构。团队建构出的DNA奈米引擎外观类似於能够增强握力的握力器，两端的手柄以一个V型结构的弹簧相连，但尺寸约比正常握力器小了100万倍。
来自波恩大学的教授法穆洛克（Michael Famulok）在新闻稿中说明，当我们使用握力器时会握紧弹簧两端的手柄、对抗来自弹簧的阻力，DNA奈米引擎也采用了相似的原理，但差别在於手柄不是被紧压在一起，而是被「拉」在一起。研究团队设计时把一段RNA聚合酶（RNA polymerase）连接到DNA奈米引擎其中一边的手柄上，并将一条DNA单股拉伸在两个手柄之间。当RNA聚合酶抓住DNA单股时便会开始复制DNA上的遗传讯息（即为转录），随着复制的进行，RNA聚合酶会不断地向前移动，DNA上的未转录区则会变得愈来愈短，导致第二个手柄逐渐接近第一个手柄，同时也压缩两个手柄之间的弹簧结构。最後，在两个手柄间的DNA序列结尾前包含了一段让转录终止的序列，当RNA聚合酶接触到此区域，就会放开DNA、停止转录。弹簧在转录停止後，可以再次被放松、分开两端手柄，DNA序列中的转录起始序列也会因此接近RNA聚合酶，使这台「分子影印机」可以开始一段新的转录。透过重复此循环，DNA奈米引擎便可以产生脉冲等快速、瞬间性的运动或震动。
至於驱动DNA奈米引擎进行转录的能量，则是来自核苷酸中的三磷酸（triphosphate）。当DNA奈米引擎运作时，RNA聚合酶为了将新的核苷酸加入DNA序列中，会去掉三磷酸中的其中两个磷酸基团，使能量被释放提供给DNA奈米引擎使用，将核苷酸连接在一起，以进行引擎後续的运行。
奈米级物体的机械运动对於仿生技术、建构奈米机器而言相当重要，可以用来执行如泵送（pumping）、转换或感知分子与讯号、运输（或任何涉及运动的传送过程）等任务。因此团队未来也希望能结合这款DNA奈米引擎与其他不同的结构，并将这项技术应用於疾病的诊断、治疗，或是新材料的建构等领域中。

新闻来源
1. Arizona State University (19 October 2023). International team develops novel DNA nano-engine. ASU News, https://news.asu.edu/20231018-international-team-develops-novel-dna-nanoengine
2. Centola M., et al. (2023). A rhythmically pulsing leaf-spring DNAorigami nanoengine that drives a passive follower. Nature Nanotechnology.