DNA 종이접기 회전 래칫 모터

Nov 05, 2023

Nature 607권, 492~498페이지(2022)이 기사 인용

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측정항목 세부정보

분자 메커니즘의 움직임에 방향성을 부여하려면 주변 온도의 액체 용액과 작은 규모에서 어디에나 존재하는 무작위 열력을 극복해야 합니다. 에너지 공급이 없는 평형 상태에서는 열역학 법칙을 위반하지 않고는 방향 운동을 유지할 수 없습니다. 열역학적 평형에서 벗어난 조건에서는 반전 대칭이 깨진 확산 메커니즘인 브라운안 래칫의 틀 내에서 방향성 운동이 달성될 수 있습니다. 래칫팅은 F1F0-ATPase6,7,8과 같은 많은 자연 생물학적 모터의 기능을 뒷받침하는 것으로 생각되며 합성 마이크로 스케일 시스템에서 실험적으로 입증되었습니다(예를 들어 우리가 아는 한 참고 문헌 3에서 처음으로). 유기 화학 합성에 의해 생성된 인공 분자 모터9,10,11,12. DNA 나노기술13은 피벗, 힌지, 크랭크 슬라이더 및 회전 시스템14,15,16,17을 포함한 다양한 나노규모 메커니즘을 산출했으며, 이는 예를 들어 가닥 변위 반응18,19에 의해 유발되거나 다음과 같은 환경 매개변수를 변경하여 다양한 구성을 채택할 수 있습니다. pH, 이온 강도, 온도, 외부 장과 같은 움직임을 자연 운동 단백질의 움직임과 결합함으로써 가능합니다. 이 이전 연구와 낮은 레이놀즈 수 역학 및 고유한 확률론을 고려하여 우리는 래치팅으로 구동되고 기계적 성능이 F1F0-ATPase와 같은 생물학적 모터의 기계적 성능에 근접하는 DNA 종이접기로 제작된 나노 규모 회전 모터를 개발하게 되었습니다.

우리는 DNA 종이접기 방법을 사용하여 길이가 60nm이고 두께가 13nm인 정삼각형 플랫폼을 고정한 높이 40nm, 너비 30nm의 받침대를 설계하고 제작했습니다(그림 1a-c 및 보충 그림 1 및 2). 삼각형 플랫폼의 중앙 공동을 통해 돌출된 받침대 부분에는 로터 암을 위한 도킹 장소가 포함되어 있습니다. 도킹 사이트는 받침대의 삼각형 플랫폼 중간점 근처에 있는 3개의 짝을 이루지 않은 뉴클레오티드로 구성된 피봇 포인트를 통해 고정됩니다. 로터 암은 총 길이가 550 nm 인 2 개의 엔드 투 엔드 결합 강성 막대 모듈 (각각 별도의 DNA 종이 접기)로 구성됩니다 (그림 1d, e 및 보충 그림 3). 회전자 암의 길이는 회절 제한 형광 현미경에서 실시간으로 개별 모터의 각도 방향 변화를 추적하고 용매와의 점성 마찰을 통해 각도 운동을 늦추기 위해 선택되었습니다. 이는 Kinosita 등의 고전적인 실험에서 영감을 얻었습니다. 개별 F-액틴 표지 F1-ATPase 모터의 회전을 보여주었습니다8. 막대 모듈은 벌집 격자 패턴으로 배열된 10개의 DNA 이중 나선으로 구성되었습니다(그림 1d,e). 이러한 나선형 다발은 이전에 수 마이크로미터 영역에서 지속 길이를 갖는 것으로 나타났습니다. 따라서 로터 암은 단단하지만 탄성이 있는 막대로 간주될 수 있습니다. 로터 암은 삼각형 플랫폼의 경계를 넘어 회전점 양쪽으로 돌출되어 있습니다. 이 설계를 사용하면 로터 암은 삼각형 평면 내의 피벗점 주위의 단축 회전에 대해 입체적으로 제한됩니다. 또한 삼각형 플랫폼의 세 모서리에도 물리적 장애물을 설치했습니다(그림 1c). 장애물은 삼각형 플랫폼의 표면에서 약 50°의 경사로 돌출된 18nm 길이의 직사각형 판으로 구성됩니다. 플레이트는 이중 나선형 스페이서 세트를 사용하여 이 각도로 단단히 고정되었습니다. 삼각형 플랫폼 위를 지나갈 때 장애물을 극복하려면 로터 암이 위쪽으로 구부러져야 합니다. 굽힘은 볼츠만 가중치 방식으로 장애물 사이에 로터를 가둘 수 있는 에너지 장벽을 구성합니다. 모터에는 또한 개별 모터 입자의 움직임을 실험적으로 관찰할 수 있도록 비오틴 부분 및 형광 염료(그림 1f)와 같은 기능적 변형이 포함되어 있습니다. 비오틴 부분을 사용하면 고정자는 고정자당 여러 비오틴-뉴트라비딘 결합을 통해 현미경 유리 커버슬립에 단단히 부착될 수 있으며 회전 암 끝에 있는 여러 형광 염료를 사용하면 개별 위치에 대한 중심 추적을 사용하여 방향을 결정할 수 있습니다. 라벨이 붙은 삼각형 플랫폼(그림 1f).