研究者がパルスナノモーターを設計

研究者がパルスナノモーターを設計

タイムスタンプ：19年2023月10日37:XNUMX AM
ソースノード： 2945091
19 年 2023 月 XNUMX 日 (Nanowerkニュース) ボン大学が率いる国際科学者チームは、新しいタイプのナノモーターを開発しました。巧妙なメカニズムによって駆動され、脈動的な動きを実行できます。研究者らは現在、これをカップリングに取り付けて、複雑な機械の駆動装置として取り付けることを計画している。

主要な取り組み

  • 研究者らは、ハンドグリップトレーナーと同様の脈動運動を実行するが、100万分の1の小型の新しいタイプのナノモーターを開発した。
  • ナノモーターは RNA ポリメラーゼを使用して DNA 鎖に沿って移動し、サイクル内でハンドルを互いに近づけ、細胞内のタンパク質の機能を模倣します。
  • このユニークなモーターは、細胞がタンパク質を生成するために使用するのと同じエネルギー源であるヌクレオチド三リン酸によって駆動されます。
  • このモーターは他の構造と簡単に組み合わせることができることが実証されており、複雑なナノマシンでの使用の可能性が示唆されています。
  • ナノモーターの動作を制御するクラッチ システムの開発など、ナノモーターの性能を最適化するためのさらなる研究が行われています。
    • RNAポリメラーゼを備えた新しいタイプのナノモーターで、2つの「ハンドル」を一緒に引っ張ってから再び解放します。これにより、脈動的な動きが生成されます。 RNA ポリメラーゼを備えた新しいタイプのナノモーターで、2 つの「ハンドル」を一緒に引っ張ってから再び解放します。これにより、脈動的な動きが生成されます。 (画像: Mathias Centola、ボン大学)

    リサーチ

    チームの調査結果が雑誌に掲載されました 自然ナノテクノロジー (「受動的フォロワーを駆動する、リズミカルに脈動する板バネ DNA 折り紙ナノエンジン」）。この新しいタイプのモーターは、定期的に使用すると握力を強化するハンドグリップ トレーナーに似ています。ただし、モーターは約 100 万分の 1 小さいです。 2つのハンドルはV字構造のバネで接続されています。ハンド グリップ トレーナーでは、バネの抵抗に抗してハンドルを握ります。グリップを放すと、スプリングによってハンドルが元の位置に戻ります。 「私たちのモーターは非常によく似た原理を使用しています」とボン大学生命医科学 (LIMES) 研究所のマイケル・ファムロック教授は説明します。 「しかし、ハンドルは一緒に押し付けられるのではなく、むしろ一緒に引っ張られます。」この目的のために、研究者らは、それがなければ植物や動物が存在できないであろうメカニズムを再利用しました。すべてのセルには一種のライブラリが装備されています。これには、細胞がその機能を実行するために必要なあらゆる種類のタンパク質の設計図が含まれています。細胞が特定の種類のタンパク質を生成したい場合、それぞれの設計図のコピーを注文します。この転写物は RNA ポリメラーゼによって生成されます。

    RNAポリメラーゼがパルス運動を駆動する

    元の設計図は長い DNA 鎖で構成されています。 RNA ポリメラーゼはこれらの鎖に沿って移動し、保存されている情報を 1 文字ずつコピーします。 「私たちは RNA ポリメラーゼを取り出し、ナノマシンのハンドルの 1 つに取り付けました」と、ボン大学の学際的研究分野「生命と健康」と「物質」のメンバーでもあるファムロック氏は説明します。 「すぐ近くで、2 つのハンドルの間の DNA 鎖にも負担をかけました。ポリメラーゼはこの鎖をつかんでコピーします。台に沿って引っ張られ、非転写部分がどんどん小さくなっていきます。これにより、2 番目のハンドルが最初のハンドルに向かって少しずつ引っ張られ、同時にスプリングが圧縮されます。」ハンドル間の DNA 鎖には、その終わりの直前に特定の文字列が含まれています。このいわゆる終結配列は、ポリメラーゼに DNA を解放すべきであるという信号を送ります。バネが再び緩み、ハンドルが離れるようになります。これにより、鎖の開始配列がポリメラーゼに近づき、分子コピー機が新しい転写プロセスを開始できるようになります。このようにしてサイクルが繰り返されます。 「このようにして、私たちのナノモーターはパルス動作を実行します」と、実験の大部分を実行したファムロック教授率いる研究グループのマティアス・チェントラ氏は説明する。

    アルファベットのスープが燃料になる

    このモーターも他のタイプのモーターと同様にエネルギーを必要とします。それは、ポリメラーゼが転写物を生成する「アルファベットスープ」によって提供されます。これらの文字 (専門用語ではヌクレオチド) にはそれぞれ、3 つのリン酸基 (三リン酸) で構成される小さな尾部があります。既存の文に新しい文字を付加するには、ポリメラーゼはこれらのリン酸基のうち 2 つを除去する必要があります。これにより、文字を結び付けるために使用できるエネルギーが放出されます。 「したがって、私たちのモーターは燃料としてヌクレオチド三リン酸を使用します」とファムロック氏は言います。 「十分な数が利用可能な場合にのみ実行を継続できます。」米国ミシガン州に拠点を置く協力パートナーの 1 社は、個々のナノモーターを監視することで、予想された動きを実際に実行することを実証することができました。アリゾナ州の研究グループも、高速コンピューター上でこのプロセスをシミュレーションした。この結果は、たとえば、特定の脈動率で動作するようにモーターを最適化するために使用できます。さらに研究者らは、モーターを他の構造と簡単に組み合わせることができることを実証することができました。これにより、たとえば、独自の特徴的なスタイルで枝に沿って自分自身を引っ張るシャクトリムシと同様に、表面を歩き回ることが可能になります。 「特定の時間にのみモーターの動力を利用し、それ以外の場合はアイドル状態にしておくことができるタイプのクラッチの開発も計画しています」とファムロック氏は説明します。長期的には、モーターは複雑なナノマシンの心臓部になる可能性があります。 「しかし、この段階に到達するまでにやるべきことはまだたくさんあります。」

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