DNA-纳米粒子马达正如其名所示：它们是微小的人造马达，利用DNA和RNA结构通过酶降解RNA生成运动。简单来说，它们通过影响布朗运动将化学能转化为机械运动。这些马达使用“燃烧桥”布朗鼠笼的方法运作。在此机制中，马达通过降解（或“燃烧”）它在表面上穿越的连接（或“桥”）向前移动，从而获得方向性的推动。
DNA-纳米粒子马达正如其名所暗示的那样：微小的人造马达，利用DNA和RNA结构通过酶降解RNA来促进运动。从本质上讲，它们通过改变布朗运动将化学能转化为机械运动。这种类型的马达使用“燃烧桥”布朗鼠笼机制，自我推动，通过降解（或“燃烧”）它在基材上遇到的键（或“桥”）有效指引其向前运动。
这些微小的马达可以以多种方式编程，具有在分子计算、诊断和运输任务中的潜在应用。然而，尽管它们的设计先进，与生物等价物——马达蛋白相比，DNA-纳米粒子马达的速度依然不足。这一差距给研究人员带来了挑战，他们渴望分析、增强和重建一个更快的人造马达，使用基于几何的单颗粒追踪实验和模拟。
“自然马达蛋白对于各种生物功能至关重要，可以以每秒10到1000纳米的速度移动。相比之下，传统的人造分子马达在速度上难以匹配这些水平，许多只在每秒1纳米以下运作，”研究人员、该研究主要作者田中的赖歇华表示。
研究结果于2025年1月16日发表在《自然通讯》上，强调了一种旨在通过克服瓶颈来解决关键速度问题的策略。
实验和模拟表明，RNase H的结合充当了瓶颈，减慢了整个马达过程。RNase H是一种对于维持基因组至关重要的酶，负责降解马达中的RNA/DNA杂交体中的RNA。RNase H结合的速度较慢会导致更长的运动暂停，从而减少整体处理时间。通过提高RNase H的浓度，速度显著提高，暂停时间从70秒降至约0.2秒。
然而，尽管增加速度改善了性能，但对进程性（在分离前的步数）和运行长度（分离前的移动距离）产生了负面影响。研究人员发现，增强DNA/RNA杂交率可以平衡这一权衡，使马达的模拟性能更接近自然马达蛋白。
经过修改的马达，重新设计的DNA/RNA序列及其杂交率提高了3.8倍，成功达到30纳米/秒的速度，200的过程性，以及3微米的运行长度。这些结果表明，DNA-纳米粒子马达的性能现在与马达蛋白相当。
“我们的最终目标是创造比自然马达蛋白性能更佳的人造分子马达，”田中表示。这些人造设计在基于马达动力学的分子计算中展现出潜力，并且对于感染或疾病相关物质的敏感诊断也具有好处。
本研究进行的研究提供了DNA-纳米粒子马达未来能力的良好前景及其有可能与马达蛋白相抗衡的潜力，同时也展现了在纳米技术中的应用前景。
本研究由来自自然科学研究所的田中赖歇华、尾本秋宏和伊野亮太进行。
该项工作得到了众多资助，包括JSPS KAKENHI、以“介观层次材料科学”（24H01732）和“分子控制论”（23H04434）为重点的变革研究领域的助学金，以及其他研究支持项目。
