受大自然启发的自主纳米机器

受分子在自然界中相互作用方式的启发，新南威尔士大学医学研究人员设计了多功能纳米级机器，以实现更大的功能范围。为了承受生物体内的挑战性条件，分子机器需要经久耐用，以便长期连续运行。同时，他们需要通过快速更换分子组件来重新配置机器，以适应不同的需求和不断变化的环境。

一个由 A/Prof 领导的团队。UNSW Medicine & Health 的 EMBL 澳大利亚单分子科学节点的 Lawrence Lee 在ACS Nano杂志上报告了他们如何设计和制造具有稳定性的快速交换分子机器。

“我们采用合成生物学方法来解决这个问题，使用 DNA 和蛋白质成分构建人工纳米机器。正如我们在生物学中观察到的那样，能够交换亚基增加了功能，”A/Prof 说。Lee，新南威尔士大学医学院和 ARC 合成生物学卓越中心研究员。

他和他的团队通过将 DNA 链折叠成三维形状来设计分子机器，这种技术称为 DNA 折纸。他们表明，他们的 DNA 纳米机器可以同时携带 DNA 和蛋白质货物，并且通常与其他生物分子和纳米颗粒兼容。货物在多个位点与 DNA 受体结合，当溶液中存在其他货物时，可以通过竞争性结合过程被新货物取代。

体现稳定性和快速交换悖论的自然界机器之一的一个例子是制造 DNA 拷贝的细胞机器——DNA 复制体。复制体用于同时实现这些相反特性的竞争性交换机制是在伍尔隆贡大学 Antoine van Oijen 教授团队的早期出版物《核酸研究》中提出的，他也是当前研究的合著者.

一个/教授。Lee 和他的团队现在利用 DNA 纳米技术和蛋白质工程将这一理论变为现实。“这是第一个使用这种所谓的‘多站点竞争性交换’原则的合成系统，”他说。

据报道，其他机制赋予了鲁棒性和快速交换的双重特性，但直到现在，这种二分法在其他生物分子中是不可能的。

“到目前为止，所有使用 DNA 纳米技术合成的分子机器都是通过交换 DNA 链来驱动的，但仅交换 DNA 有点限制。我们的发现扩展了 DNA 纳米技术可用的功能复杂性，”A/Prof 说。李。

他认为，自然界中有丰富的知识可供纳米技术研究人员利用。“快速交换和保持高稳定性似乎是两种互不相容的状态，但自然界中有很多纳米级机器以这种方式运行。”

DNA纳米技术领域仍处于起步阶段。虽然研究人员要克服更多的设计挑战才能充分发挥分子机器的潜力，但创造能够自主行动并通过更换不同的生物分子来适应环境变化的机器的能力是朝着实现分子机器迈出的一大步。应用范围广泛，从构建响应性智能材料到将治疗药物靶向输送到患病细胞等等。

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