연구진은 분자 과학 연구소 분자 모터에 대한 이해를 바탕으로 나노 규모의 인공 모터를 개선하여 인공 모터와 모터 단백질 간의 속도 차이를 평준화하는 것을 목표로 했습니다. 이 연구는 네이처커뮤니케이션즈.
이미지 제공: 하라시마 다카노리
DNA 나노입자 모터는 RNA와 DNA 구조를 사용하여 효소적 RNA 분해를 통해 동작을 구동하는 아주 작은 인공 모터입니다. 브라운 운동은 화학적 에너지를 기계적 운동으로 변환하도록 편향되어 있습니다.
DNA 나노입자 모터는 “번트 브리지(burnt-bridge)” 브라운식 래칫 메커니즘을 사용합니다. 모터가 기판을 따라 교차하는 결합(또는 “브리지”)의 열화(또는 “연소”)는 이러한 종류의 움직임을 추진하여 모터의 움직임을 앞으로 효과적으로 편향시킵니다.
고도로 프로그래밍 가능한 이러한 나노 크기 모터는 운송, 진단 및 분자 계산 응용 분야용으로 제작될 수 있습니다. 문제는 DNA 나노입자 모터가 그 천재성에도 불구하고 생물학적 대응물인 모터 단백질만큼 빠르지 않다는 점이다. 연구원들은 형상 기반 운동 시뮬레이션과 단일 입자 추적 실험을 사용하여 더 빠른 인공 모터를 분석, 최적화 및 재구성합니다.
천연 운동 단백질은 10-1000의 속도로 생물학적 과정에서 필수적인 역할을 합니다. nm/s. 지금까지 인공 분자 모터는 이러한 속도에 접근하는 데 어려움을 겪었으며 대부분의 기존 설계는 1 nm/s 미만을 달성했습니다..
Takanori Harashima, 연구원 및 연구 제1저자, 분자과학연구소
병목 현상을 전환하는 것은 속도 문제에 대해 제안된 솔루션입니다. 실험과 시뮬레이션을 통해 RNase H의 결합이 병목 현상을 일으키고 전체 프로세스 속도를 늦추는 것으로 나타났습니다.
RNase H는 모터에서 RNA/DNA 하이브리드의 RNA를 분해하고 게놈 유지 관리에 관여합니다. 더 느린 총 처리 시간은 더 느린 RNase H 결합으로 인해 동작이 더 길어지면 일시 중지됩니다. RNase H 농도를 증가시켜 속도가 크게 향상되었으며, 일시 중지 기간이 70초에서 약 0.2초로 감소되었습니다.
그러나 모터 속도를 높이기 위해 실행 길이(분리 전 모터가 이동하는 거리)와 진행성(분리 전 단계 수)이 희생되었습니다. 연구진에 따르면 DNA/RNA 혼성화 속도가 높을수록 속도와 진행성/실행 길이 간의 균형이 향상되어 시뮬레이션 성능이 모터 단백질 성능에 더 가까워질 수 있습니다.
엔지니어링된 모터는 재설계된 DNA/RNA 서열을 사용하여 30nm/s의 속도, 200개의 가공성, 3μm의 실행 길이를 달성했으며 혼성화 속도는 3.8배 증가했습니다. 이번 연구는 DNA 나노입자 모터가 이제 모터 단백질과 유사하게 기능할 수 있음을 보여줍니다.
궁극적으로 성능 면에서 천연 모터 단백질을 능가하는 인공 분자 모터 개발을 목표로 하고 있습니다..
Takanori Harashima, 연구원 및 연구 제1저자, 분자과학연구소
이러한 인공 모터는 모터의 움직임과 감염 또는 질병 관련 분자에 대한 매우 민감한 진단 가능성을 기반으로 하는 분자 계산에 매우 유용할 수 있습니다.
본 연구에서 수행된 시뮬레이션과 실험은 DNA 나노입자 및 관련 인공 모터, 모터 단백질을 모방하는 능력 및 나노기술에서의 용도에 대한 유망한 미래를 제공합니다.
이번 연구에는 소켄다이 고등연구대학원 연구원과 국립자연과학연구소 분자과학연구소의 이이노 료타, 오토모 아키히로, 하라시마 다카노리가 참여했다.
이 연구는 FY2023 쓰가와 재단 연구 보조금, JST ACT-X “생명과 정보”, 변혁적 연구 분야에 대한 보조금(A)(공개 연구) “중간 계층의 재료 과학” 및 ” 분자 사이버네틱스’, 혁신 분야 과학 연구 보조금 ‘분자 엔진’, JST ACT-X ‘생명과 정보’, JSPS 카켄히.
저널 참고자료:
하라시마, T., 외. (2025) 모터 단백질에 필적하는 고속 및 가공성을 갖춘 DNA-나노입자 모터의 합리적인 엔지니어링. 네이처커뮤니케이션즈. doi.org/10.1038/s41467-025-56036-0
원천:
