Investigadores de la Instituto de Ciencias Moleculares El objetivo period nivelar la diferencia de velocidad entre los motores artificiales y las proteínas motoras mejorando el motor synthetic a nanoescala utilizando su conocimiento de los motores moleculares. El estudio fue publicado en Comunicaciones de la naturaleza.
Crédito de la imagen: Takanori Harashima
Los motores de nanopartículas de ADN son minúsculos motores artificiales que utilizan estructuras de ARN y ADN para impulsar el movimiento a través de la degradación enzimática del ARN. El movimiento browniano está predispuesto a transformar la energía química en movimiento mecánico.
El motor de nanopartículas de ADN emplea el mecanismo de trinquete browniano de «puente quemado». La degradación (o «quema») de los enlaces (o «puentes») que el motor cruza a lo largo del sustrato impulsa este tipo de movimiento, desviando efectivamente el movimiento del motor hacia adelante.
Estos motores de tamaño nanométrico altamente programables se pueden fabricar para aplicaciones de transporte, diagnóstico y computación molecular. El problema es que los motores de nanopartículas de ADN no son tan rápidos como sus homólogos biológicos, la proteína motora, a pesar de su genialidad. Los investigadores utilizan simulación cinética basada en geometría y experimentos de seguimiento de partículas individuales para analizar, optimizar y reconstruir un motor synthetic más rápido.
Las proteínas motoras naturales desempeñan funciones esenciales en los procesos biológicos, con una velocidad de 10 a 1000 nm/s. Hasta ahora, los motores moleculares artificiales han tenido dificultades para acercarse a estas velocidades, y la mayoría de los diseños convencionales alcanzan menos de 1 nm/s..
Takanori Harashima, investigador y primer autor del estudio, Instituto de Ciencia Molecular
Cambiar el cuello de botella es una solución sugerida al problema de la velocidad. El experimento y la simulación demostraron que la unión de la RNasa H actúa como cuello de botella y ralentiza todo el proceso.
La RNasa H descompone el ARN en híbridos de ARN/ADN en el motor y participa en el mantenimiento del genoma. Un tiempo whole de procesamiento más lento resulta de pausas más largas en el movimiento causadas por una unión más lenta de la RNasa H. La velocidad mejoró significativamente al aumentar la concentración de RNasa H, reduciendo la duración de las pausas de 70 sa aproximadamente 0,2 s.
Sin embargo, la longitud del recorrido (la distancia que recorre el motor antes de separarse) y la procesividad (el número de pasos antes de separarse) se sacrificaron para aumentar la velocidad del motor. Según los investigadores, una mayor tasa de hibridación de ADN/ARN podría mejorar este equilibrio entre velocidad y procesividad/longitud de ejecución, acercando el rendimiento simulado al de una proteína motora.
El motor diseñado alcanzó una velocidad de 30 nm/s, una procesividad de 200 y una longitud de recorrido de 3 μm con secuencias de ADN/ARN rediseñadas y un aumento de 3,8 veces en la tasa de hibridación. El estudio muestra que el motor de nanopartículas de ADN ahora puede funcionar de manera comparable a una proteína motora.
En última instancia, nuestro objetivo es desarrollar motores moleculares artificiales que superen en rendimiento a las proteínas motoras naturales..
Takanori Harashima, investigador y primer autor del estudio, Instituto de Ciencia Molecular
Estos motores artificiales pueden resultar muy útiles en los cálculos moleculares basados en el movimiento del motor y su potencial para el diagnóstico altamente smart de infecciones o moléculas relacionadas con enfermedades.
La simulación y el experimento realizados en este estudio ofrecen un futuro prometedor para el ADN. nanopartículas y motores artificiales relacionados, su capacidad para imitar proteínas motoras y sus usos en nanotecnología.
En este estudio participaron los investigadores Ryota Iino, Akihiro Otomo y Takanori Harashima del Instituto de Graduados de Estudios Avanzados de SOKENDAI y el Instituto de Ciencias Moleculares de los Institutos Nacionales de Ciencias Naturales.
Este estudio fue financiado por la Beca de Investigación de la Fundación Tsugawa para el año fiscal 2023, JST ACT-X «Vida e Información», Subvención para Áreas de Investigación Transformativa (A) (Investigación de oferta pública) «Ciencia de materiales de la mesojerarquía» y » Cibernética Molecular», Subvención para la Investigación Científica en Áreas Innovadoras «Motor Molecular», JST ACT-X «Vida e Información» y JSPS KAKENHI.
Referencia de la revista:
Harashima, T., et al. (2025) Ingeniería racional de un motor de nanopartículas de ADN con alta velocidad y procesividad comparable a las proteínas motoras. Comunicaciones de la naturaleza. doi.org/10.1038/s41467-025-56036-0
