顶级期刊《Nature》重磅！德国人制造出世界上最小的DNA纳...

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引言
日前，Nature出版社旗下顶级子刊《自然-纳米技术》（IF：39）发表了一篇重磅文章，一组来自德国波恩大学（ University of Bonn）等研究机构的科学家团队制备出了一种DNA纳米引擎，这项精妙的分子生物学及工程科学交叉前沿技术能够为生物医学领域治疗疾病带来新的启迪。

尽管全世界每年都要发表大量的研究结果，但是，要从浩如烟海的发表成果中找到一点新鲜的、有点创意的、与众不同的、有点意思的东西还真的并不如想象般容易！现代社会对科学家的论文指标量化评估体系早就让大多数研究者们遗忘了在科学世界中找到哪怕丁点儿兴趣的初心。要不怎么说科学家比其他群体更需要童年的好奇心呢？当然，这里扯得太远了。今天要介绍的这篇研究似乎还是有点意思，值得观看一下。话说德国人制造的机械设备确实在全球都享有较大的声誉，比如满大街跑的汽车这种机器，其三大汽车制造品牌更是充斥在我国的大街小巷。当然，这其中的关键还在于德国人能够制造优异耐用的号称汽车心脏的发动机引擎，从而赢得了消费者的信赖。如今，一组来自德国波恩大学的科学家团队又来捣鼓上了世界上最小的引擎-只能在显微镜下才能够看见。

▲研究者们在著名期刊《自然-纳米技术》上面发表的文章（图片来自Nature）日前，Nature出版社旗下顶级子刊《自然-纳米技术》（IF：39）发表了一篇重磅文章，一组来自德国波恩大学（ University of Bonn）等研究机构的科学家团队制备出了一种DNA纳米引擎（nanoengine），这项精妙的分子生物学及工程科学交叉前沿技术能够为生物医学领域治疗疾病带来新的启迪。



▲这篇文章的通讯作者Michael Famulok教授（左）以及第一作者Julián Valero博士（右）

▶人类需要新的驱动引擎

◀人类的发展历史从动力角度来看，可以浓缩成一部驱动力发展的影片了。而人类累积财富的过程则可以看做是驱动引擎不断更替的过程。古人驱动这个世界靠的是人力和驯化的动物，比如牛、马、驴。近代社会则出现了依靠化石燃料的蒸汽机和内燃机，于是，人类社会又靠内燃机引擎来驱动，创造出了无尽的财富，并且直到现在都还占据着主要地位，比如汽车、一些大型工程设备、轮船、飞机等等。然而，化石燃料也有枯竭的一天，并且，最关键的是，产生的环境污染早已经让地球不堪重负，而污染带来的危害健康的问题早已经凸显。因此，人类需要新的驱动引擎，而这其中，靠电力驱动的电动机则是目前的一个非常合适的方案。



▲电动汽车拥有如同遥控玩具车一般的极其简单的构造（左），便于大规模模块化生产，其驱动力则来自于电机，而电机能够提供扭力或者说动力的关键部件就是转子和定子（右）而电动机必不可少的部件就是称作“转子”（rotor）和“定子”（stator）的部件了。定子顾名思义，是电动机静止不动的部分，其由定子铁芯、定子绕组和机座三部分组成，主要作用是产生旋转磁场。而转子顾名思义就是转动的部分，主要作用是在旋转磁场中被磁力线切割进而产生（输出）电流。简单说来，就是，定子就是固定的，转子就是转动的。

▶最小的引擎
◀这一组来自德国波恩大学、位于德国波恩的Caesar研究所等机构的科学家团队也正是采用了转子和定子的概念，利用环状的DNA来制备微小的纳米引擎。


▲研究者们制备的DNA纳米引擎的想象模式图，绝佳地阐释了这项巧妙的技术；其中，图中具有两个环状的质粒DNA，一个作为定子（stator）固定（图中竖立的环状DNA；另一个在黄色线头和线条（实际上是酶以及RNA链）的驱动下进行旋转，作为转子（rotor）（图中横向的正在旋转的环状DNA）（图片来自 Julián Valero/caesar Bonn）研究者们怎么设计这个世界上最小的“引擎”的呢？简单说来，就是直接把两个圆环交叉扣在一起，就像西游记中哪吒三太子脖子上挂的金圈圈，把两个金圆圈交叉在一起，当然，也可以想像成奥运会五连环标志的交叉连接方式；然后，固定其中一个圆环（作为定子，叫做stator ring），而另一个圆环能够在一定条件下转动起来（作为转子，叫做rotor ring）。



只不过这里，研究者们把这两个圆环换成了一种叫做质粒的环状DNA。稍微有点分子生物学知识的朋友们都能够明白，质粒（plasmid）DNA就是环状的（尽管质粒在正常情况下往往处于超螺旋状态，并非呈现圆形，然而，在这里可以看成是圆形的），通过常规的分子生物学操作手段就可以把两个环状圆形的质粒构建成为交叉状态。



▲构建两个交叉环状质粒DNA的过程模式图，这里必须要注意圆环上面的几个带有颜色的关键部件（图片来自Nature）制备好了这种两个交叉的圆环即转子和定子之后，可以想象成就如同制备好了自行车的两个轮胎，那么，怎么才能够让这辆自行车运动起来呢？这就还需要另一个关键部件，这就如同自行车上面链接两个圆形轮胎的支架和链条，否则，仅有两个轮胎怎么运动呢？这里亦是如此，仅有两个交叉的圆形DNA质粒，怎么能够转动起来做得了引擎呢？

▶似乎还缺一样东西◀因此，还需要另外一个关键部件，一方面来固定这个定子质粒，另一方面来驱动这个转子质粒。所以，研究者们就巧妙地设计了这样的元件，其中，采用一个能够与特定的DNA序列稳定结合的蛋白质Zif268（一种锌指蛋白，简称ZIF）来结合到“定子质粒”（stator ring）上面；另一方面，采用另一种能够与特定DNA序列结合的蛋白酶：T7 RNA多聚酶（T7 RNA polymerase，简称T7-RNAP），与“转子质粒”（rotor ring）结合，并且，T7-RNAP和Zif268之间也用一定长度的氨基酸链连接起来（整个过程如下图所示）。



▲这是整个DNA纳米引擎的原理示意图，“两个车轮”和“支架”结合在一起，就形成了一部完整的能够跑动的“自行车”（图片来自Nature）这样一来，T7-RNAP-Zif268这个元件就如同自行车的支架，能够将两个圆形轮胎组合在一起形成自行车。这里不得不说，最巧妙的地方就是研究者们采用了T7 RNA多聚酶，这个酶不光是在最开始的时候能够与特定的DNA序列结合，更加关键的是，它能够从最初所在的DNA序列位置开始，在提供能量比如ATP的情况下，能够沿着DNA序列“爬行”，然而，它的另一端又被固定在“定子”上面，因此，随着它在圆形DNA质粒上面“爬行”，这个“转子”质粒就开始转动起来了！



▲左边是DNA纳米引擎的模式图，右边是研究者们采用原子力显微镜观察到的真实情况下的纳米引擎的形态，其长度约为30纳米左右（图片改编自Nature）这里还必须注意圆环质粒上面的带有颜色的序列，其中定子（stator ring）上面的蓝色序列为Zif268结合的位置，而转子（rotor）上面的红色序列为T7启动子（T7 Promotor），是T7-RNAP最初结合的地方；而上面的绿色序列则是一段表达特定的RNA序列的位置，一旦这段序列被T7多聚酶转录成RNA，溶液中的特殊试剂就能够检测到这段RNA序列，然后发出绿色光；这样一来，只要检测到绿色光，就能够知道这个引擎在开始工作了。

▶发动引擎◀既然制备好了全世界最小的引擎，那么，就来发动一下试试，看能不能动起来。当然，如同高铁列车要开动起来的话就必须要先铺设铁路、建设车站一样，研究者们将也利用DNA折纸（DNA Origami）技术制备出专供这种DNA纳米引擎运动的“纳米轨道”，这样一来，DNA纳米引擎就可以在这种专用道路上面行进了。


▲DNA纳米引擎运动的模式图那么，在原子力显微镜下的真实状况如何呢？研究者们进行了观察，发现，制备的DNA纳米引擎确实能够在特定的道路上面行走。



▲原子力显微镜下的DNA纳米引擎在纳米管道上面行走的图像；左边显示最开始的时候，相当于高铁列车停在各个站点的情况（图中的白色亮点为DNA纳米引擎，黄色为DNA折纸纳米管道）；中间和右边（放大）显示DNA纳米引擎行走到纳米管道的其他位置的情形（图片改编自Nature）因此，研究者们制备的DNA纳米引擎确实能够在特定的道路上面运动。并且，研究者们在测试中显示，DNA纳米引擎行走了240个纳米！“这只是第一次行走！”文章的通讯作者Famulok教授说到，“只要我们愿意，它行走的长度还可以增加。”研究者们将在未来不但要增加这种DNA纳米引擎的行走长度，而且还将设计更加复杂的挑战，比如，DNA纳米引擎将会自动选择走哪条道路。“我们将开发方法来预测DNA纳米引擎会往哪个方向行走，”第一作者Valero博士补充道。“这是基础研究”Famulok教授说到，“现在还很难判断未来会向哪里发展。”然而，Famulok教授团队将会在未来设计更加复杂的DNA纳米引擎。这项研究可能会在分子计算机方面以及精确药物运输方面提供新的思路。

参考资料：
1.  A bio-hybrid DNA rotor–stator nanoenginethat moves along predefined tracks.2018.2.[url=https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/uob-tns040918.php3.https://idw-online.de/de/news692092]https://www.eurekalert.org/pub_releases/2018-04/uob-tns040918.php3.https://idw-online.de/de/news692092[/url]