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美國亞利桑那州立大學（Arizona State University）、密西根大學（University of Michigan），以及德國波恩大學（University of Bonn）的跨國研究團隊，近期共同開發出一種由DNA製成的新型奈米引擎，它能以巧妙的機制執行快速、瞬間性的運動或震動（又稱脈衝運動，pulsing movement）。團隊現階段預計再加裝一個連接器於其中，希望能作為此DNA奈米引擎的驅動裝置，本篇研究目前已發表於《自然奈米技術》（Nature Nanotechnology）。
 
亞利桑那州立大學的助理教授舒爾克（Petr Šulc）使用電腦建模工具，分析DNA奈米引擎中板片彈簧（leafspring）的設計和運作，此結構由近1萬4000個核苷酸所組成，而這些核苷酸則是形成DNA的基本單元結構。團隊建構出的DNA奈米引擎外觀類似於能夠增強握力的握力器，兩端的手柄以一個V型結構的彈簧相連，但尺寸約比正常握力器小了100萬倍。
 
來自波恩大學的教授法穆洛克（Michael Famulok）在新聞稿中說明，當我們使用握力器時會握緊彈簧兩端的手柄、對抗來自彈簧的阻力，DNA奈米引擎也採用了相似的原理，但差別在於手柄不是被緊壓在一起，而是被「拉」在一起。研究團隊設計時把一段RNA聚合酶（RNA polymerase）連接到DNA奈米引擎其中一邊的手柄上，並將一條DNA單股拉伸在兩個手柄之間。當RNA聚合酶抓住DNA單股時便會開始複製DNA上的遺傳訊息（即為轉錄），隨著複製的進行，RNA聚合酶會不斷地向前移動，DNA上的未轉錄區則會變得愈來愈短，導致第二個手柄逐漸接近第一個手柄，同時也壓縮兩個手柄之間的彈簧結構。最後，在兩個手柄間的DNA序列結尾前包含了一段讓轉錄終止的序列，當RNA聚合酶接觸到此區域，就會放開DNA、停止轉錄。彈簧在轉錄停止後，可以再次被放鬆、分開兩端手柄，DNA序列中的轉錄起始序列也會因此接近RNA聚合酶，使這臺「分子影印機」可以開始一段新的轉錄。透過重複此循環，DNA奈米引擎便可以產生脈衝等快速、瞬間性的運動或震動。
 
至於驅動DNA奈米引擎進行轉錄的能量，則是來自核苷酸中的三磷酸（triphosphate）。當DNA奈米引擎運作時，RNA聚合酶為了將新的核苷酸加入DNA序列中，會去掉三磷酸中的其中兩個磷酸基團，使能量被釋放提供給DNA奈米引擎使用，將核苷酸連接在一起，以進行引擎後續的運行。
 
奈米級物體的機械運動對於仿生技術、建構奈米機器而言相當重要，可以用來執行如泵送（pumping）、轉換或感知分子與訊號、運輸（或任何涉及運動的傳送過程）等任務。因此團隊未來也希望能結合這款DNA奈米引擎與其他不同的結構，並將這項技術應用於疾病的診斷、治療，或是新材料的建構等領域中。

 
新聞來源
1. Arizona State University (19 October 2023). International team develops novel DNA nano-engine. ASU News, https://news.asu.edu/20231018-international-team-develops-novel-dna-nanoengine
2. Centola M., et al. (2023). A rhythmically pulsing leaf-spring DNAorigami nanoengine that drives a passive follower. Nature Nanotechnology.