Simulările dezvăluie regulile de proiectare pentru motoarele de particule din ADN de înaltă performanță
Motoarele moleculare artificiale realizate din nanoparticule și microparticule modificate cu ADN se numără printre cele mai rapide astfel de dispozitive raportate până în prezent, deplasându-se cu aproximativ 30 de nanometri pe secundă. Totuși, ele rămân mai lente decât proteinele motorii naturale, care ating viteze de aproximativ 100–1.000 de nanometri pe secundă, ceea ce impune îmbunătățiri suplimentare ale designului și performanței.
Cercetători de la Institutul pentru Științe Moleculare (IMS) și de la Universitatea Absolvenților pentru Studii Avansate, Sokendai, au realizat simulări cinetice bazate pe geometrie care reproduc mișcarea motoarelor de nanoparticule și microparticule din ADN cu diametre cuprinse între 100 și 5.000 de nanometri. Studiul, publicat în Biophysical Journal, a identificat condițiile care pot îmbunătăți viteza, lungimea cursei și unidirecționalitatea acestor motoare.
Dimensiunea particulei influențează performanța motorului
Motoarele de particule din ADN funcționează printr-un mecanism de tip „clichet brownian cu punte arsă”. Firele simple de ADN de pe particulă se hibridizează cu moleculele de ARN de pe o suprafață, iar enzima RNase H hidrolizează ARN-ul legat de ADN. Deoarece ARN-ul hidrolizat nu mai poate servi drept punct de sprijin, mișcarea înapoi este suprimată, iar mișcarea browniană aleatorie a particulei este orientată către ARN-ul intact din direcția de înaintare.
Experimentele anterioare au arătat o dependență surprinzătoare de dimensiune. Motoarele cu diametre între 100 și 5.000 de nanometri — o diferență de 50 de ori — s-au deplasat cu o viteză caracteristică de aproximativ 30 de nanometri pe secundă, în timp ce particulele mari parcurg distanțe mai lungi. Pentru a înțelege acest comportament, cercetătorii au simulat motoare cu diametre de 100, 500, 1.000 și 5.000 de nanometri și au investigat factorii care guvernează aceste metrici de performanță.
Analiza mișcării elementare de pas a arătat că particulele mari fac pași mari, dar au și pauze lungi înainte de fiecare pas. Aceste două efecte se compensează reciproc, explicând de ce viteza motorului se modifică doar slab odată cu dimensiunea particulei.
Dimensiunea particulei a avut efecte diferite asupra celorlalte metrici de performanță. Particulele mari pot forma numeroase duplexuri ADN/ARN cu suprafața, ceea ce împiedică detașarea de substrat și crește astfel lungimea cursei. De asemenea, particulele mari pot hidroliza ARN-ul mai eficient de-a lungul traiectoriilor lor și pot forma multe duplexuri ADN/ARN al căror efect colectiv orientează următorul pas către direcția de înaintare, rezultând o unidirecționalitate ridicată. Aceste rezultate arată că dimensiunea particulei afectează diferite proprietăți ale motorului în moduri diferite.
Reacții mai rapide permit viteze mai mari
Simulările au arătat în continuare că, deși dimensiunea particulei are un efect limitat asupra vitezei, cinetica reacțiilor biochimice influențează puternic viteza. Când ratele de hibridizare ADN/ARN, de legare a RNase H și de hidroliză a ARN-ului au fost fiecare crescute de 10 ori în model, vitezele prezise ale motoarelor au depășit 200 de nanometri pe secundă pe întreaga gamă de dimensiuni ale particulelor.
În aceste condiții de reacție rapidă, difuzia rotațională lentă a particulelor mari le-a redus din ce în ce mai mult viteza. Acest lucru indică faptul că motoarele mici din particule de ADN păstrează mai mult spațiu pentru accelerări suplimentare către vitezele proteinelor motorii naturale rapide.
Concluziile oferă principii de proiectare pentru ingineria motoarelor moleculare artificiale de înaltă performanță, care ar putea fi aplicate ca surse de energie pentru mașini moleculare și în tehnologiile de detectare și de calcul.
