日本信息与通信技术所Science：蛋白质马达在DNA纳米管上的可编程分子转运

一、【导读】

活细胞可以被视为一个微工厂，其中不同的分子机器在不断地工作，以完成基本的生命过程。特别是线性生物分子马达，如肌球蛋白、驱动蛋白和动力蛋白沿着特定的细胞骨架轨道移动，在真核细胞内进行材料的分类、驱动和组装。这些基于蛋白质的马达在细胞内表现出自主的长距离运输，因此有可能被用来在未来的医学、材料科学和计算应用中操纵微米级的分子。目前已经广泛研究了分子机器用于体外应用的模拟运输，然而轨道设计和控制不灵活性，阻碍其实际应用。

二、【成果掠影】

近日，日本情报通信研究机构（National Institute of Information and Communications Technology，NICT）Ken’ya Furuta教授团队通过结合生物分子马达动力蛋白和DNA结合蛋白，开发了在DNA纳米管上移动的蛋白质马达。这种新马达和基于DNA的纳米结构能够在轨道上布置结合位点，局部控制运动方向，并通过不同马达实现多路货物运输。这些技术的集成，实现了细胞内微型货物分拣器和集成器，可以按照分支DNA纳米管上的DNA序列程序自动运输分子。这种细胞内运输系统为未来的应用提供一个通用的、可控的平台。该论文以题为“Programmable molecular transport achieved by engineering protein motors to move on DNA nanotubes”发表在知名期刊Science上。

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三、【核心创新点】

√ 开发了一种可以在DNA纳米管上移动的蛋白马达；

√ 新的马达和基于DNA的纳米架构使研究人员能够在轨道上安排结合点，局部控制运动方向，并通过不同的马达实现多路货物运输；

√ 这些技术的整合实现了微尺度的货物分拣器和集成器，可以按照DNA序列的编程在支链DNA纳米管上自动运输分子。

四、【数据概览】

图1 混合马达DNA-纳米管滑动分析和ATP酶测量© 2022 AAAS

（a）混合马达的制备示意图；

（b）移动测试图示；

（c）DNA纳米管示意图；

（d）S1影像中DNA纳米管的代表性波动曲线记录；

（e）在5 mM ATP和350 mM KCl存在下，混合马达驱动DNA纳米管运动的速度直方图；

（f）没有DNA轨道和微管的情况下，混合和原生细胞质动力蛋白的稳态ATP酶活性。

图2 DNA纳米管结构的影响和方向性控制© 2022 AAAS

（a-c）时序彩色图像描绘了4螺旋管、10螺旋管和20螺旋管LEF1-SST管v1在LEF1-Dyn涂层表面上的运动；

（d）不同类型DNA纳米管结构的示意图；

（e-f）SST管和双交叉管（DX管）的运动速度与离子强度的关系；

（g-h）携带不同顺序LEF1-Dyn识别序列的DNA折纸DX管示意图；

（i-j）两种DNA纳米管代表性滑动轨迹图像；

（k-l）两种DNA纳米管滑动的速度直方图。

图3 DNA纳米管径迹的单分子和多分子运动性分析© 2022 AAAS

（a）ACTNrod-LEF1-Dyn二聚体在DNA纳米管轨道上移动的示意图，连续拍照图像S11中具有代表性的单二聚体移动（左下），以及相应移动的曲线记录（右下）；

（b）ACTNrod-LEF1-Dyn马达沿DNA纳米管运动轨迹；

（c）移动点运行长度的累积频率图；

（d）连续运动点的速度直方图；

（e）多个LEF1-Dyn马达的15×BG DNA折纸模板组装示意图，连续拍照图像S12中的代表性货物运输（左下），以及相应移动的曲线记录（右下）；

（f）移动货物运行长度的累积频率图；

（g）连续运输货物的速度直方图。

图4 Y型DNA纳米管轨道上分子传输系统© 2022 AAAS

（a）分散器和聚合器的示意图；

（b-c）显示分散器和聚合器代表性行为的连续帧照片；

（d）分拣器和集成器的示意图；

（e）分拣系统的设计；

（f）分拣器的随时间变化过程；

（g）整合器的随时间变化过程；

（h-i）分拣器或整合器在交叉口处货物停止或脱离轨道的概率；

（j-k）σE4-Dyn货物和LEF1-Dyn货物测量的每台马达与每条轨道的结合速率。

五、【成果启示】

控制分子的长程运动，是极具挑战性的。细胞使用分子马达（如动力蛋白和驱动蛋白）和细胞骨架特征（如微管），实现相对于货物尺寸的长距离主动运输。该项研究，为动力蛋白dynein配备了一个DNA结合模块，使其能够抓住，并沿着工程DNA轨道移动。这个系统中，DNA轨道可以采用精确设计的结构，并且DNA结合模块，为不同的序列产生特异性。利用这些功能，研究创建了可以在两个轨道之间分离货物的分拣机，还有可以将两个货物流汇集在一起的集成器。工程马达的平均速度约为每秒220纳米，与细胞中的一些分子马达相当。

文献链接：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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