他們所取得的成就好比我們?cè)诘厍蛏嫌^看月球上的一場(chǎng)足球比賽。

該團(tuán)隊(duì)與哈佛醫(yī)學(xué)院和Wyss研究所的尹鵬教授以及他的研究生Mingjie Dai合作，將DNA折紙與高精度單分子跟蹤技術(shù)結(jié)合，從而創(chuàng)造了一種被稱為“基于DNA折紙-水平旋翼的成像追蹤（origami-rotor-based imaging and tracking，ORBIT）”的新技術(shù)，以觀察運(yùn)動(dòng)中的分子機(jī)器。

ORBIT系統(tǒng)：熒光標(biāo)記DNA折紙水平旋翼，記錄和放大粘附于載玻片上的分子馬達(dá)引發(fā)的DNA旋轉(zhuǎn)

在我們體內(nèi)，有一些分子馬達(dá)直接穿過肌肉細(xì)胞，使肌肉收縮。另一些負(fù)責(zé)修復(fù)、復(fù)制或轉(zhuǎn)錄DNA：這些與DNA相互作用的馬達(dá)抓住雙鏈螺旋，然后從一個(gè)堿基爬向另一個(gè)堿基，就像走樓梯一樣。

為了看到這些細(xì)微的運(yùn)動(dòng)，研究小組想到了利用扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)：首先，他們把與DNA相互作用的馬達(dá)粘在一個(gè)剛性支架上，馬達(dá)必須轉(zhuǎn)動(dòng)杠桿才能從一個(gè)堿基移動(dòng)到另一個(gè)。因此，只要測(cè)量杠桿是如何旋轉(zhuǎn)的，就能測(cè)量馬達(dá)的移動(dòng)。

但是，仍然有一個(gè)障礙：馬達(dá)每次跨越1個(gè)堿基對(duì)，旋轉(zhuǎn)使DNA移動(dòng)1納米，如此精度的距離測(cè)量即使最先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡也無法很好的觀測(cè)。

于是研究人員想到了直升機(jī)的螺旋槳。如果他們能造出一架DNA螺旋槳，看到擺動(dòng)的旋翼槳葉，就可以用攝像機(jī)捕捉到分子馬達(dá)引發(fā)的DNA旋轉(zhuǎn)（如上圖）。

為了制造這種小螺旋槳，莊小威團(tuán)隊(duì)決定使用DNA折紙。

自從DNA折紙技術(shù)被建立以來，已經(jīng)有報(bào)道展示過它們?cè)趧?chuàng)造藝術(shù)品、細(xì)胞藥物呈遞和研究免疫系統(tǒng)等方面的應(yīng)用。簡(jiǎn)單來說，DNA折紙就是操縱DNA鏈，使其超越其傳統(tǒng)的雙螺旋結(jié)構(gòu)，合成美麗而復(fù)雜的其他性狀。

為了建造DNA折紙螺旋槳，研究小組向DNA折紙技術(shù)先驅(qū)，尹鵬教授求助。尹教授和他的研究生將大約200個(gè)DNA片段編織成了160納米長(zhǎng)的螺旋槳樣結(jié)構(gòu)。然后，他們將該螺旋槳接到一個(gè)典型的DNA雙螺旋上，另一端與名為“RecBCD”的解壓DNA的分子馬達(dá)銜接。當(dāng)馬達(dá)開始工作時(shí)，它將旋轉(zhuǎn)DNA，像螺旋槳助推器一樣扭動(dòng)螺旋槳旋翼。

“過去從來沒有人看到過分子馬達(dá)蛋白旋轉(zhuǎn)DNA，因?yàn)樗囊苿?dòng)速度非常非?？?，”Kosuri說。

馬達(dá)能在不到1秒的時(shí)間內(nèi)穿過數(shù)百個(gè)堿基。有了折紙螺旋槳和每秒1000幀的高速攝像機(jī)，研究小組激動(dòng)地記錄下了分子馬達(dá)的快速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

“人體內(nèi)有太多關(guān)鍵過程都涉及到蛋白質(zhì)和DNA的相互作用，”Altheimer說。理解這些蛋白質(zhì)是如何工作的（或不能工作的）可以回答許多有關(guān)人類健康和疾病的基本生物學(xué)問題。

接下來，研究小組開始探索其他類型的分子馬達(dá)。例如，RNA聚合酶。研究小組根據(jù)之前的研究推測(cè)它可能以35度步幅旋轉(zhuǎn)DNA。新技術(shù)直觀地證明了猜想的正確性：“我們第一次看到了DNA轉(zhuǎn)錄過程中的單堿基對(duì)旋轉(zhuǎn)，”Kosuri說。正如預(yù)測(cè)的那樣，旋轉(zhuǎn)步幅約為35度。

一張顯微鏡載玻片可以加載數(shù)以百萬臺(tái)自組裝DNA螺旋槳，意味著研究小組可以使用一臺(tái)顯微鏡和照相機(jī)同時(shí)研究數(shù)百甚至數(shù)千個(gè)分子馬達(dá)，如此就可以比較各個(gè)馬達(dá)的工作方式。

“沒有兩種酶是完全相同的，這里就像一個(gè)動(dòng)物園，”Kosuri說。

一種馬達(dá)蛋白可能會(huì)向前跳躍，另一種則會(huì)暫時(shí)向后爬，另一個(gè)可能在某個(gè)堿基上停留更長(zhǎng)的時(shí)間?？茖W(xué)家們現(xiàn)在還不知道它們?yōu)槭裁磿?huì)這樣運(yùn)動(dòng)，有了新工具，答案很快就會(huì)揭曉。

ORBIT還可以激發(fā)以生物能源為動(dòng)力（如ATP）的新型納米技術(shù)?！斑@是一種混合納米機(jī)器，既包括人工設(shè)計(jì)好的組件，也包括天然的生物馬達(dá)，”Kosuri說?！翱傆幸惶?，這種混合技術(shù)可以變成生物啟發(fā)機(jī)器人的基本語言。”

原文檢索：Rotation tracking of genome-processing enzymes using DNA origami rotors

來源：生物通