I motori delle nanoparticelle di DNA sono esattamente come sembrano: minuscoli motori artificiali che utilizzano le strutture del DNA e dell’RNA per spingere il movimento mediante la degradazione enzimatica dell’RNA. Essenzialmente, l’energia chimica viene convertita in movimento meccanico influenzando il moto browniano. Il motore delle nanoparticelle di DNA utilizza il meccanismo a cricchetto browniano del “ponte bruciato”. In questo tipo di movimento, il motore viene azionato dal degrado (o “bruciore”) dei legami (o “ponti”) che attraversa lungo il substrato, essenzialmente spingendo il suo movimento in avanti.
Questi motori di dimensioni nanometriche sono altamente programmabili e possono essere progettati per l’uso nel calcolo molecolare, nella diagnostica e nel trasporto. Nonostante la loro genialità, i motori delle nanoparticelle di DNA non hanno la velocità delle loro controparti biologiche, la proteina motrice, ed è qui che risiede il problema. È qui che entrano in gioco i ricercatori per analizzare, ottimizzare e ricostruire un motore artificiale più veloce utilizzando esperimenti di tracciamento di particelle singole e simulazioni cinetiche basate sulla geometria.
“Le proteine motrici naturali svolgono un ruolo essenziale nei processi biologici, con una velocità di 10-1000 nm/s. Fino ad ora, i motori molecolari artificiali hanno faticato ad avvicinarsi a queste velocità, con la maggior parte dei progetti convenzionali che raggiungono meno di 1 nm/s”, ha affermato Takanori. Harashima, ricercatore e primo autore dello studio.
I ricercatori hanno pubblicato il loro lavoro in Comunicazioni sulla natura il 16 gennaio 2025, presentando una proposta di soluzione al problema più urgente della velocità: il passaggio al collo di bottiglia.
L’esperimento e la simulazione hanno rivelato che il legame della RNasi H è il collo di bottiglia in cui l’intero processo viene rallentato. L’RNasi H è un enzima coinvolto nel mantenimento del genoma e scompone l’RNA negli ibridi RNA/DNA nel motore. Quanto più lento è il legame con l’RNasi H, tanto più lunghe sono le pause nel movimento, il che porta a un tempo di elaborazione complessivo più lento. Aumentando la concentrazione di RNasi H, la velocità è stata notevolmente migliorata, mostrando una diminuzione della durata delle pause da 70 secondi a circa 0,2 secondi.
Tuttavia, l’aumento della velocità del motore è avvenuto a scapito della processività (il numero di passi prima del distacco) e della lunghezza della corsa (la distanza percorsa dal motore prima del distacco). I ricercatori hanno scoperto che questo compromesso tra velocità e processività/lunghezza di esecuzione potrebbe essere migliorato da un tasso di ibridazione DNA/RNA maggiore, avvicinando le prestazioni simulate a quelle di una proteina motrice.
Il motore ingegnerizzato, con sequenze di DNA/RNA riprogettate e un aumento di 3,8 volte del tasso di ibridazione, ha raggiunto una velocità di 30 nm/s, una processività di 200 e una lunghezza di corsa di 3 μm. Questi risultati dimostrano che il motore delle nanoparticelle di DNA è ora paragonabile a una proteina motoria in termini di prestazioni.
“In definitiva, miriamo a sviluppare motori molecolari artificiali che superino le proteine motorie naturali in termini di prestazioni”, ha affermato Harashima. Questi motori artificiali possono essere molto utili nei calcoli molecolari basati sul movimento del motore, per non parlare del loro merito nella diagnosi di infezioni o molecole correlate a malattie con elevata sensibilità.
L’esperimento e la simulazione condotti in questo studio forniscono una prospettiva incoraggiante per il futuro delle nanoparticelle di DNA e dei relativi motori artificiali e per la loro capacità di essere all’altezza delle proteine motorie nonché per le loro applicazioni nella nanotecnologia.
Takanori Harashima, Akihiro Otomo e Ryota Iino dell’Istituto di scienze molecolari presso il National Institutes of Natural Sciences e il Graduate Institute for Advanced Studies di SOKENDAI hanno contribuito a questa ricerca.
Questo lavoro è stato sostenuto da JSPS KAKENHI, Grant-in-Aid for Transformative Research Areas (A) (Ricerca offerta al pubblico) “Scienza dei materiali della meso-gerarchia” (24H01732) e “Cibernetica molecolare” (23H04434), Grant-in-Aid per la Ricerca Scientifica su Aree Innovative “Motore Molecolare” (18H05424), Sovvenzione in aiuti per scienziati all’inizio della carriera (23K13645), JST ACT-X “Vita e informazioni” (MJAX24LE) e sovvenzione di ricerca della Fondazione Tsugawa per l’anno fiscale 2023.
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