डीएनए-नैनोपार्टिकल मोटर्स बिल्कुल वैसे ही हैं जैसे वे ध्वनि करते हैं: छोटे कृत्रिम मोटर्स जो एंजाइमैटिक आरएनए गिरावट द्वारा गति को प्रेरित करने के लिए डीएनए और आरएनए की संरचनाओं का उपयोग करते हैं। मूलतः, ब्राउनियन गति को बायस करके रासायनिक ऊर्जा को यांत्रिक गति में परिवर्तित किया जाता है। डीएनए-नैनोपार्टिकल मोटर “बर्न-ब्रिज” ब्राउनियन रैचेट तंत्र का उपयोग करती है। इस प्रकार की गति में, मोटर को सब्सट्रेट के साथ पार होने वाले बंधनों (या “पुलों”) के क्षरण (या “जलने”) से प्रेरित किया जाता है, जो अनिवार्य रूप से इसकी गति को आगे की ओर झुकाता है।
ये नैनो-आकार की मोटरें अत्यधिक प्रोग्राम योग्य हैं और इन्हें आणविक गणना, निदान और परिवहन में उपयोग के लिए डिज़ाइन किया जा सकता है। उनकी प्रतिभा के बावजूद, डीएनए-नैनोपार्टिकल मोटरों में उनके जैविक समकक्षों, मोटर प्रोटीन की गति नहीं होती है, यहीं समस्या है। यहीं पर शोधकर्ता एकल-कण ट्रैकिंग प्रयोग और ज्यामिति-आधारित गतिज सिमुलेशन का उपयोग करके एक तेज़ कृत्रिम मोटर का विश्लेषण, अनुकूलन और पुनर्निर्माण करने के लिए आते हैं।
ताकानोरी ने कहा, “प्राकृतिक मोटर प्रोटीन 10-1000 एनएम/सेकेंड की गति के साथ जैविक प्रक्रियाओं में आवश्यक भूमिका निभाते हैं। अब तक, कृत्रिम आणविक मोटर्स ने इन गति तक पहुंचने के लिए संघर्ष किया है, अधिकांश पारंपरिक डिजाइन 1 एनएम/सेकेंड से कम प्राप्त करते हैं।” हरशिमा, शोधकर्ता और अध्ययन के पहले लेखक।
शोधकर्ताओं ने अपना काम प्रकाशित किया प्रकृति संचार 16 जनवरी, 2025 को, गति के सबसे गंभीर मुद्दे का प्रस्तावित समाधान पेश किया गया: बाधा को बदलना।
प्रयोग और सिमुलेशन से पता चला कि RNase H का बंधन एक बाधा है जिसमें पूरी प्रक्रिया धीमी हो जाती है। RNase H जीनोम रखरखाव में शामिल एक एंजाइम है, और मोटर में RNA/DNA संकर में RNA को तोड़ता है। RNase H बाइंडिंग जितनी धीमी होती है, गति में रुकावट उतनी ही अधिक होती है, जिससे समग्र प्रसंस्करण समय धीमा हो जाता है। RNase H की सांद्रता बढ़ाने से, गति में उल्लेखनीय सुधार हुआ, जिससे ठहराव की लंबाई 70 सेकंड से घटकर लगभग 0.2 सेकंड हो गई।
हालाँकि, मोटर की गति बढ़ाने से प्रक्रियात्मकता (अलगाव से पहले कदमों की संख्या) और रन-लंबाई (अलगाव से पहले मोटर द्वारा तय की गई दूरी) की कीमत चुकानी पड़ी। शोधकर्ताओं ने पाया कि गति और प्रक्रियात्मकता/रन-लंबाई के बीच इस व्यापार-बंद को बड़े डीएनए/आरएनए संकरण दर द्वारा बेहतर बनाया जा सकता है, जिससे सिम्युलेटेड प्रदर्शन मोटर प्रोटीन के करीब आ जाएगा।
पुन: डिज़ाइन किए गए डीएनए/आरएनए अनुक्रमों और संकरण दर में 3.8 गुना वृद्धि के साथ इंजीनियर मोटर ने 30 एनएम/सेकेंड की गति, 200 प्रक्रियात्मकता और 3 माइक्रोन रन-लंबाई हासिल की। ये परिणाम दर्शाते हैं कि डीएनए-नैनोपार्टिकल मोटर अब प्रदर्शन में मोटर प्रोटीन के बराबर है।
हरशिमा ने कहा, “आखिरकार, हमारा लक्ष्य कृत्रिम आणविक मोटर विकसित करना है जो प्रदर्शन में प्राकृतिक मोटर प्रोटीन से आगे निकल जाए।” ये कृत्रिम मोटरें मोटर की गति के आधार पर आणविक गणना में बहुत उपयोगी हो सकती हैं, उच्च संवेदनशीलता वाले संक्रमण या रोग-संबंधी अणुओं के निदान में उनकी योग्यता का उल्लेख नहीं किया जा सकता है।
इस अध्ययन में किए गए प्रयोग और सिमुलेशन डीएनए-नैनोकण और संबंधित कृत्रिम मोटरों के भविष्य और मोटर प्रोटीन को मापने की उनकी क्षमता के साथ-साथ नैनो टेक्नोलॉजी में उनके अनुप्रयोगों के लिए एक उत्साहजनक दृष्टिकोण प्रदान करते हैं।
SOKENDAI में आणविक विज्ञान संस्थान के ताकानोरी हरशिमा, अकिहिरो ओटोमो और रयोटा आईनो ने इस शोध में योगदान दिया।
इस कार्य को JSPS KAKENHI, परिवर्तनकारी अनुसंधान क्षेत्रों के लिए अनुदान सहायता (ए) (सार्वजनिक रूप से प्रस्तावित अनुसंधान) “मेसो-पदानुक्रम का सामग्री विज्ञान” (24H01732) और “आणविक साइबरनेटिक्स” (23H04434), अनुदान सहायता द्वारा समर्थित किया गया था। नवीन क्षेत्रों पर वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए “आणविक इंजन” (18एच05424), प्रारंभिक-कैरियर वैज्ञानिकों के लिए अनुदान सहायता (23K13645), JST ACT-X “जीवन और सूचना” (MJAX24LE), और FY2023 के लिए त्सुगावा फाउंडेशन अनुसंधान अनुदान।
