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1.

近年來，機(jī)器人變得越來越逼真。例如，由太陽能驅(qū)動的蜜蜂能用輕盈的翅膀飛行，人形的機(jī)器人可以做后空翻，機(jī)器人足球隊(duì)懂得如何運(yùn)球、傳球、制定得分策略。隨著研究人員對生物運(yùn)動理解得更深刻，就能創(chuàng)造出越來越多可以模仿生物運(yùn)動的機(jī)器，從宏觀尺度一直到最小的分子尺度。

幾十年來，研究人員一直在尋找能研究生物機(jī)器是如何驅(qū)動生物的方法。無論是收縮肌肉還是復(fù)制DNA，無論是物質(zhì)運(yùn)輸還是細(xì)胞分裂，在分子水平上，生命體的一切機(jī)械運(yùn)動都依賴于能采用微弱到幾乎無法被檢測到的旋轉(zhuǎn)角度的分子馬達(dá)。之所以被稱為分子馬達(dá)，是因?yàn)檫@是一些具有馬達(dá)功能的蛋白質(zhì)大分子。試圖看清這些分子馬達(dá)的運(yùn)動就好比試圖從地球上觀看在月球上進(jìn)行的足球比賽。

在最近發(fā)表于《自然》雜志的一項(xiàng)研究中，由哈佛大學(xué)的莊小威教授與哈佛醫(yī)學(xué)院的尹鵬教授等研究人員利用DNA折紙技術(shù)，首次記錄了一個(gè)分子馬達(dá)在從一個(gè)DNA堿基對移動到下一個(gè)時(shí)的旋轉(zhuǎn)角度。

○ 莊小威教授（2019年生命科學(xué)領(lǐng)域突破獎獲得者）。| 圖片來源：Kris Snibbe/Harvard Staff Photographer

尹教授是DNA折紙領(lǐng)域的先驅(qū)，他與他的學(xué)生Mingjie Dai將DNA折紙與高精度單分子示蹤相結(jié)合，創(chuàng)建了一種新的技術(shù)——ORBIT（意為基于折紙轉(zhuǎn)子的成像和示蹤）來觀察分子機(jī)器的運(yùn)動。

2.

在我們體內(nèi)，有的分子馬達(dá)會直接穿過肌肉細(xì)胞，導(dǎo)致肌肉收縮；還有一些會負(fù)責(zé)修復(fù)、復(fù)制或轉(zhuǎn)錄DNA，所有的這一類基因組處理反應(yīng)都會產(chǎn)生DNA旋轉(zhuǎn)：與DNA作用的分子馬達(dá)會緊緊抓住一條雙螺旋鏈，像爬上一座螺旋的樓梯一樣從一個(gè)堿基爬到另一個(gè)堿基。然而，測量這種DNA旋轉(zhuǎn)卻是一項(xiàng)非常艱巨的任務(wù)。

為了觀察這些微型機(jī)器的運(yùn)動，研究小組想要利用這種扭轉(zhuǎn)運(yùn)動。首先，他們將與DNA作用的分子馬達(dá)固定在一個(gè)剛性支架上。一旦固定了，它就必須旋轉(zhuǎn)螺旋以從一個(gè)堿基移到下一個(gè)堿基。所以，如果他們能測量螺旋是如何旋轉(zhuǎn)的，就能確定馬達(dá)分子是如何運(yùn)動的。但研究人員面臨著另一個(gè)問題：每當(dāng)一個(gè)馬達(dá)分子穿過一個(gè)堿基對時(shí)，旋轉(zhuǎn)就會使DNA移動幾分之一納米。這種移動實(shí)在是太微弱，即便用最先進(jìn)的光學(xué)顯微鏡也無法檢測。

研究人員從兩支被擺成直升機(jī)螺旋槳形狀的筆中獲得靈感，得到了一個(gè)解決方案：如果將這樣一個(gè)螺旋槳固定在轉(zhuǎn)動的DNA上，那么螺旋槳旋轉(zhuǎn)的速度將會與DNA螺旋結(jié)構(gòu)的運(yùn)動速度一樣，從而也就得到了分子馬達(dá)的速度。

于是，難題就變成了，要如何才能建造一架這樣的“DNA直升機(jī)”，它的大小需要剛好能顯現(xiàn)旋翼葉片的擺動，使得攝影機(jī)能捕捉到馬達(dá)分子那難以捉摸的運(yùn)動。

3.

這便是DNA折紙技術(shù)施展魅力的地方了。研究人員決定用這種技術(shù)來建造分子大小的螺旋槳。在此之前，這種技術(shù)常被用于藝術(shù)創(chuàng)造、向細(xì)胞輸送藥物、研究免疫系統(tǒng)，以及一些其他用途，比如控制DNA鏈，讓它們形成有別于傳統(tǒng)雙螺旋結(jié)構(gòu)的其他復(fù)雜、漂亮的形狀。

○ ORBIT示意圖：用一個(gè)DNA折紙轉(zhuǎn)子，對一個(gè)雙鏈DNA相對于固定在表面的馬達(dá)蛋白的旋轉(zhuǎn)進(jìn)行了擴(kuò)增和檢測。| 圖片來源：Pallav Kosuri/Zhuang Lab

利用精進(jìn)的折紙技術(shù)，研究人員將200個(gè)左右的DNA片段編織成160納米長的螺旋槳狀。然后，他們將螺旋槳固定在一個(gè)常規(guī)的雙螺旋結(jié)構(gòu)上，并將另一端與解旋酶RecBCD相接，這是一種與DNA修復(fù)有關(guān)的分子馬達(dá)。當(dāng)分子馬達(dá)開始運(yùn)作時(shí)，它會轉(zhuǎn)動DNA，像一個(gè)螺旋開酒器一樣使螺旋槳旋轉(zhuǎn)。

這個(gè)分子馬達(dá)可以在不到一秒鐘的時(shí)間內(nèi)移動過數(shù)百個(gè)堿基。在此之前，沒人見過這種分子馬達(dá)轉(zhuǎn)動DNA，因?yàn)樗D(zhuǎn)動得太快了。在折紙螺旋槳和以每秒1000幀的速度運(yùn)行的高速攝像機(jī)的幫助下，研究人員終于得以記錄下這種高速的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動。

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