提出的解决方案可以使DNA纳米粒子马达与马达蛋白同步

DNA纳米粒子马达与听起来完全一样：微小的人造马达，利用DNA和RNA的结构通过酶促RNA降解来推动运动。本质上，化学能通过偏置布朗运动转化为机械运动

DNA纳米粒子马达使用“烧桥”布朗棘轮机制。在这种类型的运动中，电机是由它沿着基板穿过的键（或“桥”）的退化（或“燃烧”）推动的，基本上使其运动向前偏移

这些纳米级电机具有高度可编程性，可以设计用于分子计算、诊断和运输

尽管有潜力，但DNA纳米粒子马达的速度不如其生物对应物，即马达蛋白，这就是问题所在。这就是研究人员使用单粒子跟踪实验和基于几何的动力学模拟来分析、优化和重建更快的人造马达的地方

该研究的第一作者、研究员Takanori Harashima说：“天然运动蛋白在生物过程中起着至关重要的作用，速度为10-1000nm/s。到目前为止，人工分子马达一直在努力接近这些速度，大多数传统设计的速度都低于1nm/s。”

研究人员在《自然通讯》上发表了他们的工作，提出了一个解决最紧迫的速度问题的方案：切换瓶颈

实验和模拟表明，RNase H的结合是整个过程减慢的瓶颈。RNase H是一种参与基因组维护的酶，在马达中分解RNA/DNA杂交体中的RNA

RNase H结合速度越慢，运动暂停时间越长，这导致整体处理时间越慢。通过增加RNase H的浓度，速度显著提高，暂停时间从70秒缩短到0.2秒左右

然而，提高电机速度是以牺牲加工性（拆卸前的步数）和运行长度（拆卸前电机行驶的距离）为代价的。研究人员发现，通过提高DNA/RNA杂交率，可以改善速度和处理能力/运行长度之间的权衡，使模拟性能更接近运动蛋白

经过重新设计的DNA/RNA序列和3.8倍的杂交率使工程马达的速度达到30 nm/s，处理能力达到200，运行长度为3μm。这些结果表明，DNA纳米粒子马达现在的性能与马达蛋白相当

本研究中的实验和模拟为DNA纳米粒子和相关人工马达的未来及其测量运动蛋白的能力，以及它们在纳米技术中的应用提供了令人鼓舞的前景 More information: Takanori Harashima et al, Rational engineering of DNA-nanoparticle motor with high speed and processivity comparable to motor proteins, Nature Communications (2025). DOI: 10.1038/s41467-025-56036-0

Journal information: Nature Communications