Um motor de catraca rotativa de origami de DNA

Nov 05, 2023

Nature volume 607, páginas 492–498 (2022) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Para conferir direcionalidade aos movimentos de um mecanismo molecular, é preciso superar as forças térmicas aleatórias que são onipresentes em escalas tão pequenas e em solução líquida à temperatura ambiente. Em equilíbrio sem suprimento de energia, o movimento direcional não pode ser sustentado sem violar as leis da termodinâmica. Sob condições distantes do equilíbrio termodinâmico, o movimento direcional pode ser alcançado dentro da estrutura de catracas brownianas, que são mecanismos difusivos que quebraram a simetria de inversão1,2,3,4,5. Acredita-se que a catraca sustenta a função de muitos motores biológicos naturais, como o F1F0-ATPase6,7,8, e foi demonstrado experimentalmente em sistemas sintéticos de microescala (por exemplo, até onde sabemos, primeiro na ref. 3) e também em motores moleculares artificiais criados por síntese química orgânica9,10,11,12. A nanotecnologia de DNA13 produziu uma variedade de mecanismos em nanoescala, incluindo pivôs, dobradiças, controles deslizantes de manivela e sistemas rotativos14,15,16,17, que podem adotar diferentes configurações, por exemplo, desencadeados por reações de deslocamento de fita18,19 ou pela alteração de parâmetros ambientais, como como pH, força iônica, temperatura, campos externos e pelo acoplamento de seus movimentos aos de proteínas motoras naturais20,21,22,23,24,25,26. Este trabalho anterior e considerando a dinâmica de baixo número de Reynolds e a estocasticidade inerente27,28 nos levaram a desenvolver um motor rotativo em nanoescala construído a partir de origami de DNA que é acionado por catraca e cujas capacidades mecânicas se aproximam das de motores biológicos como F1F0-ATPase.

Usamos os métodos de DNA origami29,30 para projetar e fabricar um pedestal de 40 nm de altura e 30 nm de largura no qual fixamos uma plataforma triangular equilátera com bordas de 60 nm de comprimento e espessura de 13 nm (Fig. 1a-c e Figuras complementares 1 e 2). Uma seção do pedestal que se projeta através da cavidade central da plataforma triangular inclui um local de encaixe para um braço de rotor. O local de ancoragem é fixado por meio de um ponto de pivô que consiste em três nucleotídeos não pareados próximo ao ponto médio da plataforma triangular no pedestal. O braço do rotor, por sua vez, consiste em dois módulos de haste rígida unidos de ponta a ponta (cada um um origami de DNA separado) (Fig. 1d,e e Suplementar Fig. 3) com um comprimento total de 550 nm. O comprimento do braço do rotor foi escolhido para permitir o rastreamento de mudanças de orientação angular de motores individuais em tempo real em um microscópio de fluorescência de difração limitada e para desacelerar os movimentos angulares por fricção viscosa com o solvente, inspirado nos experimentos clássicos de Kinosita e outros que mostraram a rotação de motores F1-ATPase marcados com F-actina individuais8. Os módulos de bastonetes consistiam em dez duplas hélices de DNA dispostas em um padrão de rede de favo de mel (Fig. 1d,e). Esses feixes helicoidais mostraram anteriormente ter comprimentos de persistência no regime de vários micrômetros31. O braço do rotor pode, portanto, ser considerado como uma haste rígida, mas elástica. O braço do rotor se projeta em ambos os lados do ponto de pivô além dos limites da plataforma triangular. Com este projeto, o braço do rotor é restrito estericamente a rotações uniaxiais em torno do ponto de pivô dentro do plano do triângulo. Também instalamos obstáculos físicos nas três bordas da plataforma triangular (Fig. 1c). Os obstáculos consistem em placas retangulares de 18 nm de comprimento que se projetam com uma inclinação de cerca de 50° da superfície da plataforma triangular. As placas foram mantidas rigidamente neste ângulo com um conjunto de espaçadores de dupla hélice. Para superar os obstáculos ao varrer a plataforma triangular, o braço do rotor deve dobrar para cima. A flexão constitui uma barreira energética que pode prender o rotor entre os obstáculos de uma maneira ponderada por Boltzmann. O motor também inclui modificações funcionais, como porções de biotina e corantes fluorescentes (Fig. 1f) para permitir a observação experimental do movimento de partículas individuais do motor. Com as porções de biotina, os estatores podem ser fixados rigidamente às lamínulas de vidro do microscópio por meio de várias ligações de biotina-neutravidina por estator, e os múltiplos corantes fluorescentes nas pontas do braço rotativo permitem determinar sua orientação usando o rastreamento do centróide32 em relação à posição dos separadamente plataforma triangular rotulada (Fig. 1f).