圖|研究人員創造了生物運動蛋白和非運動 DNA 結合域（淺藍色和橙色）的混合體，它們在包含 DNA 結合域識別位點（深藍色和橙色）的合成 DNA 軌道上單向行走
一些背景
細胞骨架的許多分子馬達是二聚體蛋白質，它們通過“競走”在特定軌道上定向移動——至少兩種蛋白質中的一種始終與軌道結合，直到二聚體馬達與軌道分離。當一種蛋白質分離并隨后觸發動力沖程時，就會發生運動。結果，馬達綁定到軌道上的下一個連接點。在細胞環境中，蛋白質馬達組在這些軌道上自主地長距離運輸分子。這些運動蛋白已被探索為在微米尺度上操縱分子的活性成分，這可能導致在醫學、材料科學和分子編程中的應用。
在過去的幾十年里，嘗試使用蛋白質馬達和細胞骨架軌道來完成非平凡的任務受到了不同于微設備的生物系統所施加的限制的阻礙。生物細胞骨架自然是復雜的，并且不斷地自我重組。盡管它們具有很強的魯棒性，但這些細胞骨架軌道并不適合需要可重復性或精確放置的應用。另一個關鍵挑戰是將信息嵌入到軌道和運動蛋白中，以對系統的動力學進行編程，例如引導運動蛋白運動。通常，細胞骨架軌跡不包含導航提示。相反，涉及信號蛋白微妙相互作用的復雜反應網絡編排了運動蛋白沿其軌跡的運動。
為了克服這些設計挑戰，先前，科學家們探索了自組裝 DNA 結構，例如 DNA 折紙納米結構和微米長的 DNA 納米管，作為分子馬達的軌道。DNA 納米結構可以設計成任意結構和圖案，并且可以排列在具有確定位置和方向的光刻圖案微陣列上。先前的研究使用了沿著 DNA 軌道定向移動的 DNA 步行器。然而，由于缺乏動力沖程，大多數 DNA 步行者會破壞它們的軌道以實現單向運動，而且大多數的移動速度也比運動蛋白慢幾個數量級。
研究結果
鑒于此，研究人員通過用 19 種識別非回文序列的 DNA 結合域替換單體人類細胞質動力蛋白的微管結合域，將動力蛋白轉化為可以在合成DNA 軌道上穿越和執行預定任務的馬達。這些馬達的速度接近蜂窩馬達的速度。軌道上識別序列的方向確保了單向運動，并實現了混合馬達的高度多路控制，因為只有配備正確鞋的馬達才能在特定的軌道上行走。
通過將兩個混合馬達與剛性蛋白質接頭連接起來構建二聚馬達。盡管人造二聚體在 DNA 納米管上表現出定向運動，但該運動包含擴散成分并且不具有高度的加工性。運行長度為 700 nm，這對于微米級系統來說是不夠的，但與許多加工蛋白質馬達的運行長度相當。通過在人工 DNA 支架上連接 15 個混合馬達單體，運行長度增加到 6 μm，類似于普通底盤上蛋白質馬達之間的相互作用如何增加它們的集體運行長度。
圖|DNA納米管結構的影響和方向性的控制
最后，作者通過調整識別位點的位置和方向，設計了四種不同類型的 Y 形分子轉運蛋白（分散器、聚集器、分選器和整合器），從而利用了混合馬達DNA 結合域的正交性。在分散器中，Y 形軌道自始至終具有相同的識別位點，并且馬達遠離交叉點。在聚合器中，識別位點的方向被翻轉，因此馬達向交叉點移動。分選器由兩個正交的識別序列組成，它們各自的識別序列分支成不同的軌道，以最小的串擾對不同的電機進行分類。集成器將兩個正交馬達組合到包含多個識別位點的單個軌道上。總的來說，這些原始組件可以用作在分子工廠中執行復雜分子機器人任務的模塊。
圖|Y 形 DNA 納米管軌道上的分子傳輸系統
展望
從頭設計可與自然對應物相媲美的馬達和絲狀軌道一直是深入了解單個馬達蛋白及其自組織的具有挑戰性的途徑。作者通過開發在特定 DNA 軌道上移動的 DNA 結合蛋白和天然馬達的嵌合體來規避這一挑戰。該工作使我們更接近于理解復雜的細胞骨架系統，這是一個由輔助蛋白、運動蛋白及其軌跡組成的相互連接的模塊網絡。在這方面，馬達和可編程細胞骨架軌道的再設計可以為研究其他復雜的、自組織的生物分子系統提供一個受控的實驗框架。
參考文獻：
1. Programmable molecular transportachieved by engineering protein motors to move on DNA nanotubes. Science 2022.
DOI: 10.1126/science.abj5170
https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj5170
2. The right shoe for the job. Science2022.
DOI: 10.1126/science.abn9659
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