Симуляції показали, як пришвидшити ДНК-мотори до швидкості природних білків
Дослідники з Японії змоделювали рух штучних ДНК-моторів і з'ясували, що прискорення біохімічних реакцій збільшує їхню швидкість більш ніж у шість разів.
Дослідники з Інституту молекулярних наук (IMS) та Університету перспективних досліджень Сокендай у Японії провели симуляції руху штучних ДНК-моторів і визначили, як пришвидшити їх до рівня природних білкових моторів. Результати роботи опублікував Biophysical Journal, повідомляє Phys.org.
ДНК-нано/мікрочастинкові мотори є одними з найшвидших відомих штучних молекулярних моторів і рухаються зі швидкістю близько 30 нм/с. Вони працюють за принципом «броунівського храповика зі спаленим мостом»: одноланцюгові ДНК на частинці гібридизуються з РНК на поверхні, а фермент РНКаза H розщеплює зв'язану РНК. Розщеплена РНК більше не може бути точкою опори, тому випадковий броунівський рух зміщує частинку вперед, до непошкоджених молекул РНК.
Попередні експерименти виявили несподівану залежність від розміру: мотори діаметром від 100 до 5000 нм рухалися з приблизно однаковою швидкістю 30 нм/с, хоча великі частинки долали значно більші відстані. Симуляції пояснили цей парадокс: великі частинки роблять довші кроки, але й довше готуються до кожного наступного. Ці два ефекти компенсують один одного, тож швидкість майже не залежить від розміру.
Моделювання також показало, що швидкість сильно залежить від кінетики біохімічних реакцій. Коли в моделі швидкість гібридизації ДНК/РНК, зв'язування РНКази H та гідролізу РНК збільшили в 10 разів, прогнозована швидкість моторів перевищила 200 нм/с для частинок будь-якого розміру. За таких умов великі частинки сповільнювалися через повільну обертальну дифузію, тож малі ДНК-мотори мають більше потенціалу для прискорення до рівня природних білкових моторів (100-1000 нм/с).
Результати окреслюють принципи проєктування високопродуктивних штучних молекулярних моторів. У майбутньому їх можна буде використовувати як джерела енергії для молекулярних машин, а також у сенсорних та обчислювальних технологіях.
Джерела
- Phys.org: Simulations reveal design rules for high-performance DNA particle motors
Фото: MJH SHIKDER, Unsplash (Unsplash License)