Grijpgrage handjes van de moleculaire motor

Het heeft wel wat weg van een octopus. Het nieuwe type moleculaire motor dat Amerikaanse onderzoekers ontwierpen heeft armen gemaakt van DNA die om zich heen grijpen. Met deze ‘tentakels’ trekt het motortje zichzelf voort over een koolstofnanobuisje. Daarbij kan het bovendien een vracht meenemen van één nanodeeltje.

23 december 2013

De natuurlijke motortjes die zich overal in ons lichaam bevinden bestaan uit eiwit. Ze zijn geëvolueerd om allerlei taken uit te voeren zoals transport van moleculen en celdeling. Wetenschappers proberen synthetische varianten van zulke motors te maken gebaseerd op DNA. Dit onderzoek staat nog in de kinderschoenen. De manier waarop zo’n kunstmatige motor beweegt gaat bijvoorbeeld nog veel langzamer dan de beweeglijkheid van de natuurlijke versies.

Onderzoekers van de Purdue Universiteit in Indiana ontwierpen een nieuw type moleculair motortje gebaseerd op DNA. Ze demonstreerden bovendien het nut van hun vondst door het motortje een vracht van één nanodeeltje te laten vervoeren over een koolstofnanobuis. De werking van de moleculaire motor stond begin deze maand beschreven in het vakblad Nature Nanotechnology.

Zelfstandig bewegen

Het motortje bestaat uit een kern en twee armen gemaakt van DNA. Eén arm bevindt zich boven de kern, de ander eronder. De energie waarmee het machientje over een nanobuisje loopt komt van strengen RNA die aan het oppervlak van het nanobuisje vastzitten.

“Onze motoren halen chemische energie uit RNA moleculen die aan de nanobuis zitten en gebruiken die energie om zelfstandig over het nanobuisje te wandelen”, zegt Jong Hyun Choi, leider van de onderzoeksgroep.

Illustratie van de manier waarop de DNA-motor beweegt.
Purdue University image/Tae-Gon Cha

Hoe werkt die beweging nu? Op het plaatje zie je de kern van het motortje, de lus (groen), dat gemaakt is van een enzym. Uit de kern steken de twee DNA-armen (rood). De bovenste arm heeft het nanodeeltje, het gele bolletje, vast. Het zwarte oppervlak is het nanobuisje waarop strengen RNA gehecht zitten (blauw).

De twee DNA-armen binden eerst samen aan dezelfde RNA-streng. Het enzym in de kern knipt vervolgens die RNA-streng doormidden. De twee armen hebben dan allebei de helft van de RNA-streng vast. De bovenste DNA-arm laat zijn stukje RNA los en buigt voorover om de volgende RNA-streng op het nanobuisje te grijpen. Daarop laat de onderste DNA-arm ook zijn helft van de doorgeknipte RNA-streng los en komt achter de bovenste arm aan. De armen houden dan weer beiden de nieuwe RNA-streng vast. En dan begint het knippen opnieuw.

Het motortje zet dus stapjes van RNA-streng naar RNA-streng. Dit proces herhaalt zich tot aan het einde van het nanobuisje.

Vracht vervoeren

Het mooie is dat het lukte om dit motortje een nanodeeltje te laten vervoeren over het nanobuisje. Om de beweging te volgen maakten ze de onderdelen van het systeem fluorescerend. Het nanodeeltje maakte ze fluorescerend bij zichtbaar licht terwijl de nanobuisjes fluoresceerden bij infrarood licht. Zo kwamen ze erachter dat het de motor twintig uur kostte om over een nanobuisje van enkele micrometers te wandelen. Naar verwachting kan de motor in de toekomst sneller bewegen door te spelen met de temperatuur en de pH.

Door mensen gemaakte motortjes hebben voordelen ten opzichte van natuurlijke moleculaire motoren. Op natuurlijke motors hebben wetenschappers geen grip en daarnaast doen deze hun werk niet buiten de cel. DNA-motors, daarentegen, zijn heel stabiel en kunnen ‘aan’ en ‘uit’ geschakeld worden.

“We staan aan het begin van de ontwikkeling van dit soort synthetische moleculaire motoren”, aldus Choi. In de komende decennia krijgen zulke motoren een rol in medicijnafgifte en in het sturen van chemische processen.

Bron:

Tae-Gon Cha e.a., A synthetic DNA motor that transports nanoparticles along carbon nanotubes, Nature Nanotechology, online op 8 december 2013. DOI: 10.1038/NNANO.2013.257