DNA 나노입자 모터가 모터 단백질만큼 속도를 낼 수 있을까?

DNA-나노입자 모터는 이름에서 알 수 있듯이 DNA와 RNA의 구조를 사용하여 효소 RNA 분해를 통해 운동을 추진하는 작은 인공 모터입니다. 본질적으로 화학 에너지는 브라운 운동을 편향시켜 기계적 운동으로 변환됩니다. DNA-나노입자 모터는 "번트-브릿지" 브라운 래칫 메커니즘을 사용합니다. 이러한 유형의 운동에서 모터는 기질을 따라 교차하는 결합(또는 "브릿지")의 분해(또는 "연소")에 의해 추진되어 본질적으로 운동을 앞으로 편향시킵니다.

이 나노 크기의 모터는 매우 프로그래밍이 가능하며 분자 계산, 진단 및 운송에 사용하도록 설계할 수 있습니다. 천재성에도 불구하고 DNA 나노입자 모터는 생물학적 대응물인 모터 단백질의 속도가 없으며, 여기에 문제가 있습니다. 여기서 연구자들은 단일 입자 추적 실험과 기하학 기반 운동 시뮬레이션을 사용하여 더 빠른 인공 모터를 분석, 최적화 및 재구성합니다.

"자연 모터 단백질은 생물학적 과정에서 필수적인 역할을 하며, 속도는 10-1000 nm/s입니다. 지금까지 인공 분자 모터는 이러한 속도에 도달하는 데 어려움을 겪었으며, 대부분의 기존 설계는 1 nm/s 미만을 달성했습니다." 연구자이자 연구의 첫 번째 저자인 타카노리 하라시마가 말했습니다.

연구자들은 2025년 1월 16일에 Nature Communications 에 연구 결과를 발표했는데, 여기에는 속도라는 가장 시급한 문제에 대한 제안된 해결책, 즉 병목 현상 전환이 포함되어 있습니다.

실험과 시뮬레이션은 RNase H의 결합이 전체 프로세스가 느려지는 병목 현상이라는 것을 보여주었습니다. RNase H는 게놈 유지에 관여하는 효소이며 모터에서 RNA/DNA 하이브리드의 RNA를 분해합니다. RNase H 결합이 느릴수록 움직임의 일시 정지가 길어지고, 이는 전체 처리 시간이 느려지는 결과를 가져옵니다. RNase H 농도를 증가시키면 속도가 현저히 향상되어 일시 정지 길이가 70초에서 약 0.2초로 감소했습니다.

그러나 모터 속도를 높이는 것은 프로세스성(분리 전 단계 수)과 런 길이(모터가 분리 전 이동하는 거리)를 희생하여 이루어졌습니다. 연구자들은 속도와 프로세스성/런 길이 간의 이러한 상충 관계가 더 큰 DNA/RNA 교잡 속도로 개선될 수 있으며, 시뮬레이션된 성능이 모터 단백질의 성능에 더 가까워질 수 있음을 발견했습니다.

DNA/RNA 시퀀스를 재설계하고 하이브리디제이션 속도를 3.8배 증가시킨 엔지니어링 모터는 30 nm/s의 속도, 200의 프로세스성, 3 μm의 런 길이를 달성했습니다. 이러한 결과는 DNA-나노입자 모터가 이제 성능 면에서 모터 단백질과 유사하다는 것을 보여줍니다.

"궁극적으로 우리는 성능 면에서 천연 모터 단백질을 능가하는 인공 분자 모터를 개발하는 것을 목표로 합니다."라고 하라시마는 말했습니다. 이러한 인공 모터는 모터의 움직임을 기반으로 한 분자 계산에 매우 유용할 수 있으며, 감염이나 질병 관련 분자를 높은 민감도로 진단하는 데 장점이 있습니다.

이 연구에서 수행된 실험과 시뮬레이션은 DNA 나노입자와 관련 인공 모터의 미래와 모터 단백질에 버금가는 능력, 그리고 나노기술 분야에서의 응용에 대한 희망적인 전망을 제공합니다.

이 연구에는 국립자연과학연구소 분자과학연구소와 SOKENDAI 고등연구대학원의 하라시마 다카노리, 오토모 아키히로, 이노 료타가 이 연구에 기여했습니다.

본 연구는 JSPS KAKENHI, 혁신적 연구 분야(A)(공개 제공 연구) "중간 계층의 재료 과학"(24H01732) 및 "분자 사이버네틱스"(23H04434)에 대한 보조금, 혁신적 분야에 대한 과학 연구 "분자 엔진"(18H05424)에 대한 보조금, 경력 초창기 과학자에 대한 보조금(23K13645), JST ACT-X "생명과 정보"(MJAX24LE) 및 2023 회계연도 쓰가와 재단 연구 보조금의 지원을 받았습니다.


출처: https://www.sciencedaily.com/releases/2025/01/250121210510.htm

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