Nature Nanotechnology：旋转吧！纳米级DNA电动机！

阿经

2023-01-03

大型设备的小型化是工程学永恒的课题之一，虽然直接简单地减小其部件的尺寸一定程度上可以实现机器的增量小型化，但彻底的小型化往往需要重新评估控制机器运行的物理原理。在传统的电动机中，通过电磁感应将电场转换为旋转运动，但使用静电驱动在亚毫米范围内产生旋转运动已经是最好的。在纳米尺度上，生物分子马达使用化学反应来偏置随机位移的方向，以高精度和高效率运行。尽管偏置扩散机制已经在纯合成分子系统中实现，但没有一个与生物马达的精度和效率相匹配，这最终可以归因于后者具有通过进化优化的结构。

几个世纪以来，利用流体流过手性物体用为机器中的旋转运动提供动力已经成为范式。相比之下，纳米级生物或化学系统中的旋转运动多是通过循环化学反应引导布朗运动产生的。近日，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Aleksei Aksimentiev教授率领其团队展示了当沿手性生物分子——DNA双链体施加电场时，其可以每分钟数十亿转的速度单向旋转。这种旋转的方向由双链体的手性决定，由电渗透流的拖曳力驱动的，实现了宏观涡轮机在纳米尺度上的工作原理。由此产生的扭矩足以为球体和棒状纳米粒子的旋转提供动力，为构建由电场驱动的纳米级系统提供了工程原理。

电场中的DNA双链体旋转：

为了研究DNA双链单体是否会在外部电场中单向旋转，作者团队构建了一个浸没在1M KCl电解质溶液中的16碱基对（bp）DNA双链体的全原子模型，模拟双链体沿其螺旋轴施加电场时的行为。双链体的磷原子被限制在圆柱体的表面，使得DNA双链体可以自由地绕其轴旋转。100 mV/nm电场沿其螺旋轴定向，观察到DNA双链体绕其轴旋转，旋转矢量指向施加的场。在使用替代水模型进行的模拟中观察到类似的单向旋转。反转外加磁场的方向反转了DNA旋转的方向。

在对照计算实验中，使用DNA镜像立体异构体形的左手双链单体l-DNA重复模拟，发现左手双链体以与常规DNA双链体相同的速度旋转，但方向相反。最后，使用A型RNA双链体重复模拟，发现RNA与常规B-DNA双链体旋转方向相同，尽管旋转速率降低。对不同的电场值进行重复实验，得出平均旋转速率对电场强度的依赖性。在100 mV/nm电场下，核酸双链体以每分钟约10亿转的速度旋转，比已知最快的分子转子的旋转速度高出几个数量级。

图1 DNA和RNA分子在外部电场中的单向旋转

扭矩产生机制：

为了确定外加电场赋予核酸结构的扭矩与产生机制，进一步构建了全原子系统模型。在外部电场的作用下，磷原子相对于其初始坐标的平衡位移测量核酸双链体所经历的有效力和扭矩。发现有效力与DNA分子标定电荷的预期力相比大大降低，减少部分是由电渗透流的阻力引起的，而电渗透流又是由DNA表面附近的反离子运动产生的。

通过将约束每个磷原子的谐波力乘以从双轴到该原子的距离来确定有效扭矩。对所有磷原子的扭矩值和模拟轨迹求平均值得出有效扭矩对外加电场的依赖性。在相同的电场下，发现DNA双链体比RNA双链体每bp经历更大的扭矩，这可能是由于分子的不同形状，与B型DNA相比，A型RNA具有更大的半径，更小的间和更容易接近溶剂的中心。

图 电场对DNA和RNA分子的有效力

扭矩τ和角速度ω由ω = μτ相关，其中μ是旋转迁移率，即旋转摩擦系数的倒数。发现DNA双链体的旋转迁移率略高于相同核苷酸组成的RNA双链体。在相同的电场下，预计RNA双链体的旋转速度比DNA双链体慢，因为前者产生的有效扭矩较低，旋转迁移率较低。

为了研究扭矩的产生机制，进一步确定了沿双相轴线的切向流体速度以及流体的局部密度。由于DNA凹槽的存在，DNA双链体附近和内部水通量的切向分量虽然很小但具有统计学意义。水和离子分别携带的方位质量通量的比值表明，水占驱动DNA旋转的方位动量的近80%，如果可以避免动量通过水耗散，DNA旋转速率和有效扭矩都将增加五倍。

副图 核酸分子周围的离子流动

副图 DNA旋转的隐式溶剂模拟

如果双链体在电场中的旋转可以由溶剂的流动引起，那么应该可以在没有外加电场的情况下在有流动的系统中观察到这种旋转。为了验证这一假设，沿着DNA轴对每个水分子施加一个小的力，产生周期性通过DNA系统的稳态水流。旋转速率与静水压力梯度呈线性关系，尽管压力驱动模拟中的溶剂净通量比由电渗透效应引起的溶剂净通量大得多，但两种情况下的旋转速率幅度相似，这可能是DNA双链体表面附近流动曲线的相似变化。

副图 水流诱导的DNA分子旋转

图2 扭矩产生机制

纳米孔旋转：

DNA产生扭矩的一种实用方法是将DNA分子穿过薄膜中的纳米孔，通过在DNA双链体一端桥接负载，在阻止其穿越纳米孔的同时携带负载旋转。在197 mV偏压下，当水以0.42nm/ns的平均速度通过纳米孔时，观察到DNA以3.2度/纳秒的平均速率旋转。已知DNA双链体的旋转迁移率，估计在这些模拟中施加到DNA的有效扭矩为3.4pN/nm。忽略耗散，根据电流和电压的乘积估计功率输入约为200pW，能量转换效率约为0.1%。

为了阐明负载阻止DNA易位和膜表面之间的摩擦效应，模拟DNA双链体被外力压向石墨烯层的自发扩散。在不松开与石墨烯接触的情况下，双链体在150 ns的时间尺度上经历了明显的平移和旋转扩散。进一步构建DNA T-bar模型，在394mV偏压下，观察到T-bar在没有任何外部约束的情况下以0.58度/纳秒的速率在碳纳米孔中旋转。注意，增加纳米孔电渗流的大小既减少了拉动DNA通过的有效力，又增加了有效扭矩，这使得光滑且带负电的纳米孔成为使用DNA产生扭矩的理想选择。

副图 DNA压在石墨烯表面的随机位移与DNA T-bar模型

利用球形和棒状颗粒流体动力阻力的理论表达式，并假设双相上的扭矩为1 pN/nm，确定了附着在DNA分子末端负载的稳态旋转速度。随着颗粒半径从10纳米增加到40纳米，球形粒子的平均旋转速率从每分钟数百万转降低到数千转。杆状负载的类似计算得出的旋转速率随着杆的长度而减小，并且对于200nm长的杆，旋转速率在每分钟数万转的范围内。

在典型的纳米孔易位实验中，DNA分子会承受相当大的扭矩。鉴于扭转沿DNA分子的传播速度比张力快得多，施加在纳米孔内DNA上的扭矩可能会诱导纳米孔上游DNA结构中结节的形成。结节通过纳米孔将记录为阻塞电流深度的瞬时三倍增加，这种电流阻塞特征类似于DNA结通过产生的电流阻塞特征。在实验上，可以通过附着刚性荧光标记棒，不对称等离子体纳米颗粒或磁珠来检测纳米孔中DNA的旋转。

图3 DNA驱动的流体动力载荷旋转

小结：

DNA不仅仅是遗传密码的载体，可编程自组装的特性使得其已经成为纳米技术的强大工具，能够制造各种系统。作者团队表明，当溶剂通过时，DNA双链体的手性形状足以产生旋转运动，DNA分子的螺旋形状可以使其作为最简单的电动机发挥作用。这种流体运动可以通过沿DNA螺旋施加电场，利用电动效应方便地产生。该效应产生的扭矩足够大，可以驱动10-200 nm级负载的旋转，其速率与生物分子马达相当或超过。然而，与分子马达相比，DNA涡轮机中的扭矩产生机制与宏观涡轮机非常相似，这表明其他依靠流体流动进行操作的宏观机器可以缩小到纳米级。

参考文献:

Christopher Maffeo, Lauren Quednau, James Wilson, et al. DNA double helix, a tiny electromotor. Nat Nanotechnol. 2022 Dec 23.

https://www.nature.com/articles/s41565-022-01285-z