RNA聚合酶分子马达围绕着DNA旋转，从一个碱基对移动到到另一个碱基对。
近年来，机器人变得越来越逼真：太阳能驱动的蜜蜂可以用轻盈的翅膀飞行，人形机器人会做后空翻，足球机器人团队会制定运球、传球和得分的策略。而且，研究人员对生物如何运动的发现越多，就有越多的机器可以模仿它们，甚至模仿它们最小的分子。Pallav Kosuri说：“我们的身体里已经有了这些神奇的机器，它们运转得非常好。我们只是不知道它们是如何工作的。”
现在，根据最近发表在《自然》杂志上的一项研究，由美国霍华德休斯医学研究所研究员Xiaowei Zhuang及其实验室的博士后Pallav Kosuri、博士生Benjamin Altheimer组成的研究团队，捕获了分子马达从一个DNA碱基对移动到另一个碱基对的第一个旋转步骤记录。
几十年来，研究人员一直在寻找生物机器驱动生物的方法。每一个机械运动——从收缩肌肉到复制DNA——都依赖于分子马达，它们的运动非常微小、几乎无法检测。与DNA相互作用的分子马达可以抓住双螺旋结构，从一个碱基爬到另一个碱基，就像爬螺旋楼梯一样。
为了观察这些微型机器的运动，研究小组利用了扭转运动的优势：首先，他们将与DNA相互作用的分子马达粘在一个刚性支架上。一旦固定，马达必须旋转DNA螺旋才能从一个碱基移动到下一个。所以，如果能测量DNA螺旋是如何旋转的，就能确定马达是如何运动的。每当分子马达穿过一个碱基对，旋转会将DNA移动不到１纳米。这种变化太小了，即使用最先进的光学显微镜也无法解决。
为此，研究人员想到了一个办法：固定在旋转DNA上的螺旋桨将以与DNA螺旋结构相同的速度运动，因此，它的速度也就是分子马达的速度。如果能造出一架DNA直升机，刚好大到可以让摆动的旋翼叶片显现出来，就能在摄像机上捕捉到分子马达微小的运动。
为了制造分子大小的螺旋桨，Kosuri、Altheimer和Zhuang决定使用DNA折纸技术（这种技术可以操纵DNA链，使其在传统的双螺旋结构之外形成复杂的形状）。通过与Wyss学院和哈佛医学院教授Peng Yin及其研究生Mingjie Dai合作，团队将高精度单分子追踪与DNA折纸技术相结合，创建了一个新的技术——ORBIT（origami-rotor-based imaging and tracking）来观察观察运动中的分子马达。
在这项技术中，研究人员首先把近200个DNA片段编织成了一个160nm长的螺旋桨，然后将螺旋桨固定在一个规则的双螺旋结构上，并在另一端添加RecBCD，这是一种可以解开DNA的分子马达。当分子马达开始工作时，它会旋转DNA，并像开瓶器一样旋转螺旋桨。
Kosuri说：“之前从未有人看到这种蛋白质如何使DNA旋转，因为它的移动速度非常快。它可以在不到一秒钟的时间里移动数百个碱基”。但是，有了折纸螺旋桨和以每秒1000帧的速度运行的高速摄像机，研究小组终于可以记录下分子马达的快速旋转运动。
Altheimer说：“人体的许多关键过程都涉及蛋白质和DNA之间的相互作用。了解这些蛋白质是如何工作——或者不能工作的原因——可能有助于回答有关人类健康和疾病的基本生物学问题。
随后研究小组开始探索其他类型的DNA马达，如RNA聚合酶，它沿着DNA移动，读取并将遗传密码转录成RNA。受之前研究的启发，研究小组推断，这个马达可能会将DNA旋转35度，相当于相邻的两个核苷酸碱基之间的角度。ORBIT证明了这个推断是正确的。“这是我们第一次看到单碱基对旋转，这是DNA转录的基础，”Kosuri说。正如预测的那样，旋转角度大约是35度。
数以百万计的自组装DNA螺旋桨可以装进一个显微镜载玻片，这意味着研究小组可以用一个显微镜上的摄像头同时研究数百甚至数千个DNA螺旋桨。这样，他们就可以比较和对比单个分子马达的工作性能。
“没有两种酶是相同的，这就像一个动物园。”Kosuri说。一种马达蛋白可能会向前跳跃，而另一种则会暂时向后移动，还有一种可能会在某个碱基停留更长的时间。研究团队还不清楚这些马达蛋白为什么会这样移动。而有了ORBIT，他们很快就能找到原因。
ORBIT还可以激发以生物能源为动力（如ATP）的新型纳米技术设计。Kosuri说：“我们制造的是一种混合纳米机器，既用了设计好的部件，也用了天然的生物发动机。”总有一天，这种混合技术将成为仿生机器人的真正基础。
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编译：花花 责编：张梦
期刊来源：《自然》 期刊编号：0028-0836
原文链接：https://www.eurekalert.org/pub_releases/2019-07/hu-ans071719.php
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