日本信息與通信技術所Science：蛋白質馬達在DNA納米管上的可編程分子轉運

一、【導讀】

活細胞可以被視為一個微工廠，其中不同的分子機器在不斷地工作，以完成基本的生命過程。特別是線性生物分子馬達，如肌球蛋白、驅動蛋白和動力蛋白沿著特定的細胞骨架軌道移動，在真核細胞內進行材料的分類、驅動和組裝。這些基于蛋白質的馬達在細胞內表現出自主的長距離運輸，因此有可能被用來在未來的醫學、材料科學和計算應用中操縱微米級的分子。目前已經廣泛研究了分子機器用于體外應用的模擬運輸，然而軌道設計和控制不靈活性，阻礙其實際應用。

二、【成果掠影】

近日，日本情報通信研究機構（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）Ken’ya Furuta教授團隊通過結合生物分子馬達動力蛋白和DNA結合蛋白，開發了在DNA納米管上移動的蛋白質馬達。這種新馬達和基于DNA的納米結構能夠在軌道上布置結合位點，局部控制運動方向，并通過不同馬達實現多路貨物運輸。這些技術的集成，實現了細胞內微型貨物分揀器和集成器，可以按照分支DNA納米管上的DNA序列程序自動運輸分子。這種細胞內運輸系統為未來的應用提供一個通用的、可控的平臺。該論文以題為“Programmable molecular transport achieved by engineering protein motors to move on DNA nanotubes”發表在知名期刊Science上。

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三、【核心創新點】

√ 開發了一種可以在DNA納米管上移動的蛋白馬達；

√ 新的馬達和基于DNA的納米架構使研究人員能夠在軌道上安排結合點，局部控制運動方向，并通過不同的馬達實現多路貨物運輸；

√ 這些技術的整合實現了微尺度的貨物分揀器和集成器，可以按照DNA序列的編程在支鏈DNA納米管上自動運輸分子。

四、【數據概覽】

圖1 混合馬達DNA-納米管滑動分析和ATP酶測量???2022 AAAS

（a）混合馬達的制備示意圖；

（b）移動測試圖示；

（c）DNA納米管示意圖；

（d）S1影像中DNA納米管的代表性波動曲線記錄；

（e）在5 mM ATP和350 mM KCl存在下，混合馬達驅動DNA納米管運動的速度直方圖；

（f）沒有DNA軌道和微管的情況下，混合和原生細胞質動力蛋白的穩態ATP酶活性。

圖2 DNA納米管結構的影響和方向性控制 ??2022 AAAS

（a-c）時序彩色圖像描繪了4螺旋管、10螺旋管和20螺旋管LEF1-SST管v1在LEF1-Dyn涂層表面上的運動；

（d）不同類型DNA納米管結構的示意圖；

（e-f）SST管和雙交叉管（DX管）的運動速度與離子強度的關系；

（g-h）攜帶不同順序LEF1-Dyn識別序列的DNA折紙DX管示意圖；

（i-j）兩種DNA納米管代表性滑動軌跡圖像；

（k-l）兩種DNA納米管滑動的速度直方圖。

圖3 DNA納米管徑跡的單分子和多分子運動性分析 ??2022 AAAS

（a）ACTNrod-LEF1-Dyn二聚體在DNA納米管軌道上移動的示意圖，連續拍照圖像S11中具有代表性的單二聚體移動（左下），以及相應移動的曲線記錄（右下）；

（b）ACTNrod-LEF1-Dyn馬達沿DNA納米管運動軌跡；

（c）移動點運行長度的累積頻率圖；

（d）連續運動點的速度直方圖；

（e）多個LEF1-Dyn馬達的15×BG DNA折紙模板組裝示意圖，連續拍照圖像S12中的代表性貨物運輸（左下），以及相應移動的曲線記錄（右下）；

（f）移動貨物運行長度的累積頻率圖；

（g）連續運輸貨物的速度直方圖。

圖4 Y型DNA納米管軌道上分子傳輸系統 ??2022 AAAS

（a）分散器和聚合器的示意圖；

（b-c）顯示分散器和聚合器代表性行為的連續幀照片；

（d）分揀器和集成器的示意圖；

（e）分揀系統的設計；

（f）分揀器的隨時間變化過程；

（g）整合器的隨時間變化過程；

（h-i）分揀器或整合器在交叉口處貨物停止或脫離軌道的概率；

（j-k）σE4-Dyn貨物和LEF1-Dyn貨物測量的每臺馬達與每條軌道的結合速率。

五、【成果啟示】

控制分子的長程運動，是極具挑戰性的。細胞使用分子馬達（如動力蛋白和驅動蛋白）和細胞骨架特征（如微管），實現相對于貨物尺寸的長距離主動運輸。該項研究，為動力蛋白dynein配備了一個DNA結合模塊，使其能夠抓住，并沿著工程DNA軌道移動。這個系統中，DNA軌道可以采用精確設計的結構，并且DNA結合模塊，為不同的序列產生特異性。利用這些功能，研究創建了可以在兩個軌道之間分離貨物的分揀機，還有可以將兩個貨物流匯集在一起的集成器。工程馬達的平均速度約為每秒220納米，與細胞中的一些分子馬達相當。

文獻鏈接：Programmable molecular transport achieved by engineering protein motors to move on DNA nanotubes?(Science 2022, 375, 1159-1164)

本文由大兵哥供稿。

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