ДНК-ходок

Ходок ДНК - это класс нуклеиновых кислот наномашин , в которых «ходок» нуклеиновой кислоты может двигаться по «дорожке» нуклеиновой кислоты. Концепция ДНК-ходока была впервые определена и названа Джоном Х. Рейфом в 2003 году. ^{[ 1 ]} Неавтономный ДНК-ходок требует внешних изменений на каждом этапе, тогда как автономный ДНК-ходок развивается без каких-либо внешних изменений. Были разработаны различные неавтономные ДНК-ходоки, например Shin ^{[ 2 ]} контролировал движение ходока ДНК, используя «управляющие нити», которые нужно было добавлять вручную в определенном порядке в соответствии с последовательностью матрицы, чтобы получить желаемый путь движения. В 2004 году группа Рейфа экспериментально продемонстрировала первый автономный ДНК-ходок, не требующий внешних изменений на каждом этапе. ^{[ 3 ]}

ДНК-ходоки обладают функциональными свойствами, такими как диапазон движения от линейного до 2-х и 3-х мерного, способность поднимать и оставлять молекулярный груз, ^{[ 4 ]} выполнение синтеза по шаблону ДНК и увеличение скорости движения. ДНК-ходоки имеют потенциальное применение в диапазоне от наномедицины до наноробототехники . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]}^{[ 7 ]} Было изучено множество различных вариантов топлива, включая гибридизацию ДНК , гидролиз ДНК или АТФ и свет. ^{[ 8 ]}^{[ 9 ]} Функции ДНК-ходока аналогичны функциям белков динеина и кинезина . ^{[ 5 ]}

Роль в нанотехнологиях ДНК

Поиск подходящего нанодвигателя, способного осуществлять автономное, однонаправленное, линейное движение, считается важным для развития нанотехнологии ДНК . ^{[ 5 ]}^{[ 6 ]} Было показано, что ходунки способны автономно двигаться по линейным, двухмерным и трехмерным «следам» ДНК с помощью большого количества схем. В июле 2005 г. Бат и др. показали, что другой способ контролировать движение ходунков по ДНК — это использовать ферменты рестрикции для стратегического расщепления «следа», вызывая движение ходунков вперед. ^{[ 10 ]} В 2010 году две разные группы исследователей продемонстрировали более сложные способности ходоков выборочно подбирать и выбрасывать молекулярный груз. ^{[ 11 ]}^{[ 12 ]} и выполнять синтез по шаблону ДНК по мере движения пешехода по дорожке. ^{[ 13 ]} В конце 2015 г. Йель и др. показали, что скорости движения на три порядка выше, чем наблюдавшиеся ранее, были возможны при использовании сферических частиц, покрытых ДНК, которые «катились» по поверхности, модифицированной РНК, комплементарной ДНК наночастиц. РНКаза H использовалась для гидролиза РНК, высвобождая связанную ДНК и позволяя ДНК гибридизоваться с РНК дальше по течению. ^{[ 14 ]} В 2018 году Валеро и др. описали ДНК-ходок, основанный на двух переплетенных кольцевых двухцепочечных ДНК (дцДНК) и сконструированной РНК-полимеразе Т7 (Т7РНКП), прочно прикрепленной к одному из колец ДНК. ^{[ 15 ]} Это статорное кольцо в одном направлении вращало сцепленное роторное кольцо посредством транскрипции катящегося круга (RCT), управляемой гидролизом нуклеотидтрифосфата (NTP), тем самым образуя цепной двигатель колеса ДНК. Колесный мотор производит длинные повторяющиеся транскрипты РНК, которые остаются прикрепленными к катенану ДНК и используются для направления его движения по заранее определенным трекам оцДНК, расположенным на нанотрубке ДНК .

Приложения

Приложения ДНК-ходоков включают наномедицину , ^{[ 16 ]} диагностическое зондирование биологических образцов, ^{[ 17 ]} наноробототехника ^{[ 18 ]} и многое другое. ^{[ 7 ]} В конце 2015 г. Йель и др. улучшил функцию ДНК-ходока за счет увеличения его скорости, и он был предложен в качестве основы для недорогой и низкотехнологичной диагностической машины, способной обнаруживать единичные нуклеотидные мутации и тяжелыми металлами загрязнение воды . ^{[ 17 ]} В 2018 году Нильс Вальтер и его команда разработали ДНК-ходок, способный двигаться со скоростью 300 нанометров в минуту. Это на порядок быстрее, чем скорость других типов ДНК-ходоков. ^{[ 19 ]}

См. также

Ссылки

^ Рейф Дж.Х. (2003). «Дизайн автономных ДНК-наномеханических устройств: ходячая и катящаяся ДНК». Естественные вычисления . 2 (15): 439–461. CiteSeerX 10.1.1.4.291 . дои : 10.1023/B:NACO.0000006775.03534.92 . S2CID 6200417 .
^ Шин Дж.С., Пирс Н.А. (сентябрь 2004 г.). «Синтетический ходок ДНК для молекулярного транспорта» . Журнал Американского химического общества . 126 (35): 10834–10835. дои : 10.1021/ja047543j . ПМИД 15339155 .
^ Инь П., Ян Х., Дэниел К.Г., Терберфилд А.Дж., Рейф Дж.Х. (сентябрь 2004 г.). «Однонаправленный ходок по ДНК, который движется автономно по треку». Ангеванде Хеми . 43 (37): 4906–4911. дои : 10.1002/anie.200460522 . ПМИД 15372637 .
^ Thubagere AJ, Li W, Johnson RF, Chen Z, Doroudi S, Lee YL и др. (сентябрь 2017 г.). «ДНК-робот, сортирующий заряды» . Наука 357 (6356): eaan6558. дои : 10.1126/science.aan6558 . ПМИД 28912216 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Зиммель (октябрь 2009 г.). «Процессивное движение двуногих ходунков ДНК». ХимияФизХим . 10 (15): 2593–2597. дои : 10.1002/cphc.200900493 . ПМИД 19739195 .
^ Jump up to: ^а ^б Пан Дж., Ли Ф., Ча Т.Г., Чен Х., Чой Дж.Х. (август 2015 г.). «Последний прогресс в создании ходунков на основе ДНК». Современное мнение в области биотехнологии . 34 : 56–64. дои : 10.1016/j.copbio.2014.11.017 . ПМИД 25498478 .
^ Jump up to: ^а ^б Ли Д. (апрель 2014 г.). «Синтетические ДНК-ходоки». Топ Curr Chem . Темы современной химии. 354 : 111–38. дои : 10.1007/128_2014_546 . ISBN 978-3-319-08677-4 . ПМИД 24770565 .
^ Ю М., Чен Ю., Чжан Х., Лю Х., Ван Р., Ван К. и др. (март 2012 г.). «Автономное и управляемое световое шагающее устройство по ДНК» . Ангеванде Хеми . 51 (10): 2457–2460. дои : 10.1002/anie.201107733 . ПМЦ 3843772 . ПМИД 22298502 .
^ Шкугор М., Валеро Дж., Мураяма К., Чентола М., Асанума Х., Фамулок М. (май 2019 г.). «Ортогонально фотоуправляемый неавтономный ДНК-ходок». Ангеванде Хеми . 58 (21): 6948–6951. дои : 10.1002/anie.201901272 . ПМИД 30897257 . S2CID 85446523 .
^ Бат Дж (11 июля 2005 г.). «Свободно работающий ДНК-мотор, приводимый в действие разрывающим ферментом». Angewandte Chemie, международное издание . 117 (28): 4432–4435. Бибкод : 2005АнгЧ.117.4432Б . дои : 10.1002/ange.200501262 .
^ Лунд К., Манзо А.Дж., Дабби Н., Микелотти Н., Джонсон-Бак А., Нангрив Дж. и др. (май 2010 г.). «Молекулярные роботы, управляемые предписывающими ландшафтами» . Природа . 465 (7295): 206–210. Бибкод : 2010Natur.465..206L . дои : 10.1038/nature09012 . ПМК 2907518 . ПМИД 20463735 .
^ Гу Х, Чао Дж, Сяо С.Дж., Симан, Северная Каролина (май 2010 г.). «Программируемая наноразмерная линия сборки ДНК, основанная на принципах близости» . Природа . 465 (7295): 202–205. Бибкод : 2010Natur.465..202G . дои : 10.1038/nature09026 . ПМЦ 2872101 . ПМИД 20463734 .
^ Хэ Ю, Лю Д. Р. (ноябрь 2010 г.). «Автономный многоэтапный органический синтез в одном изотермическом растворе, осуществляемый ходоком ДНК» . Природные нанотехнологии . 5 (11): 778–782. Бибкод : 2010NatNa...5..778H . дои : 10.1038/nnano.2010.190 . ПМК 2974042 . ПМИД 20935654 .
^ Йель К., Мюглер А., Вивек С., Лю Ю., Чжан Ю., Фань М. и др. (февраль 2016 г.). «Высокоскоростные вращающиеся двигатели на основе ДНК, работающие на РНКазе H» . Природные нанотехнологии . 11 (2): 184–190. Бибкод : 2016NatNa..11..184Y . дои : 10.1038/nnano.2015.259 . ПМЦ 4890967 . ПМИД 26619152 .
^ Валеро Дж., Пал Н., Дакал С., Уолтер Н.Г., Фамулок М. (июнь 2018 г.). «Биогибридный ДНК-роторно-статорный нанодвигатель, который движется по заданным траекториям» . Природные нанотехнологии . 13 (6): 496–503. Бибкод : 2018НатНа..13..496В . дои : 10.1038/s41565-018-0109-z . ПМК 5994166 . ПМИД 29632399 .
^ Бём Ф. (18 ноября 2013 г.). Проектирование наномедицинских устройств и систем: проблемы, возможности, перспективы . ЦРК Пресс. ISBN 9781439863237 .
^ Jump up to: ^а ^б «Наноходоки совершают стремительный шаг вперед с первым катящимся двигателем на основе ДНК» . физ.орг . Проверено 4 декабря 2015 г.
^ «Глава 18: ДНК-наноробототехника - журнал и публикации по нанотехнологиям» . Журнал и публикации по нанотехнологиям . Архивировано из оригинала 8 декабря 2015 г. Проверено 4 декабря 2015 г.
^ «Гимнастические трюки помогают «ходоку» ДНК установить рекорд скорости» . Природа . 557 (7705): 283. Май 2018 г. doi : 10.1038/d41586-018-05127-8 . ПМИД 29760489 .

[1] Рейф Дж.Х. (2003). «Дизайн автономных ДНК-наномеханических устройств: ходячая и катящаяся ДНК». Естественные вычисления . 2 (15): 439–461. CiteSeerX 10.1.1.4.291 . дои : 10.1023/B:NACO.0000006775.03534.92 . S2CID 6200417 .

[2] Шин Дж.С., Пирс Н.А. (сентябрь 2004 г.). «Синтетический ходок ДНК для молекулярного транспорта» . Журнал Американского химического общества . 126 (35): 10834–10835. дои : 10.1021/ja047543j . ПМИД 15339155 .

[3] Инь П., Ян Х., Дэниел К.Г., Терберфилд А.Дж., Рейф Дж.Х. (сентябрь 2004 г.). «Однонаправленный ходок по ДНК, который движется автономно по треку». Ангеванде Хеми . 43 (37): 4906–4911. дои : 10.1002/anie.200460522 . ПМИД 15372637 .

[4] Thubagere AJ, Li W, Johnson RF, Chen Z, Doroudi S, Lee YL и др. (сентябрь 2017 г.). «ДНК-робот, сортирующий заряды» . Наука 357 (6356): eaan6558. дои : 10.1126/science.aan6558 . ПМИД 28912216 .

[:0-5] Jump up to: ^а ^б ^с Зиммель (октябрь 2009 г.). «Процессивное движение двуногих ходунков ДНК». ХимияФизХим . 10 (15): 2593–2597. дои : 10.1002/cphc.200900493 . ПМИД 19739195 .

[:3-6] Jump up to: ^а ^б Пан Дж., Ли Ф., Ча Т.Г., Чен Х., Чой Дж.Х. (август 2015 г.). «Последний прогресс в создании ходунков на основе ДНК». Современное мнение в области биотехнологии . 34 : 56–64. дои : 10.1016/j.copbio.2014.11.017 . ПМИД 25498478 .

[:1-7] Jump up to: ^а ^б Ли Д. (апрель 2014 г.). «Синтетические ДНК-ходоки». Топ Curr Chem . Темы современной химии. 354 : 111–38. дои : 10.1007/128_2014_546 . ISBN 978-3-319-08677-4 . ПМИД 24770565 .

[:2-8] Ю М., Чен Ю., Чжан Х., Лю Х., Ван Р., Ван К. и др. (март 2012 г.). «Автономное и управляемое световое шагающее устройство по ДНК» . Ангеванде Хеми . 51 (10): 2457–2460. дои : 10.1002/anie.201107733 . ПМЦ 3843772 . ПМИД 22298502 .

[9] Шкугор М., Валеро Дж., Мураяма К., Чентола М., Асанума Х., Фамулок М. (май 2019 г.). «Ортогонально фотоуправляемый неавтономный ДНК-ходок». Ангеванде Хеми . 58 (21): 6948–6951. дои : 10.1002/anie.201901272 . ПМИД 30897257 . S2CID 85446523 .

[10] Бат Дж (11 июля 2005 г.). «Свободно работающий ДНК-мотор, приводимый в действие разрывающим ферментом». Angewandte Chemie, международное издание . 117 (28): 4432–4435. Бибкод : 2005АнгЧ.117.4432Б . дои : 10.1002/ange.200501262 .

[11] Лунд К., Манзо А.Дж., Дабби Н., Микелотти Н., Джонсон-Бак А., Нангрив Дж. и др. (май 2010 г.). «Молекулярные роботы, управляемые предписывающими ландшафтами» . Природа . 465 (7295): 206–210. Бибкод : 2010Natur.465..206L . дои : 10.1038/nature09012 . ПМК 2907518 . ПМИД 20463735 .

[12] Гу Х, Чао Дж, Сяо С.Дж., Симан, Северная Каролина (май 2010 г.). «Программируемая наноразмерная линия сборки ДНК, основанная на принципах близости» . Природа . 465 (7295): 202–205. Бибкод : 2010Natur.465..202G . дои : 10.1038/nature09026 . ПМЦ 2872101 . ПМИД 20463734 .

[13] Хэ Ю, Лю Д. Р. (ноябрь 2010 г.). «Автономный многоэтапный органический синтез в одном изотермическом растворе, осуществляемый ходоком ДНК» . Природные нанотехнологии . 5 (11): 778–782. Бибкод : 2010NatNa...5..778H . дои : 10.1038/nnano.2010.190 . ПМК 2974042 . ПМИД 20935654 .

[14] Йель К., Мюглер А., Вивек С., Лю Ю., Чжан Ю., Фань М. и др. (февраль 2016 г.). «Высокоскоростные вращающиеся двигатели на основе ДНК, работающие на РНКазе H» . Природные нанотехнологии . 11 (2): 184–190. Бибкод : 2016NatNa..11..184Y . дои : 10.1038/nnano.2015.259 . ПМЦ 4890967 . ПМИД 26619152 .

[15] Валеро Дж., Пал Н., Дакал С., Уолтер Н.Г., Фамулок М. (июнь 2018 г.). «Биогибридный ДНК-роторно-статорный нанодвигатель, который движется по заданным траекториям» . Природные нанотехнологии . 13 (6): 496–503. Бибкод : 2018НатНа..13..496В . дои : 10.1038/s41565-018-0109-z . ПМК 5994166 . ПМИД 29632399 .

[16] Бём Ф. (18 ноября 2013 г.). Проектирование наномедицинских устройств и систем: проблемы, возможности, перспективы . ЦРК Пресс. ISBN 9781439863237 .

[:4-17] Jump up to: ^а ^б «Наноходоки совершают стремительный шаг вперед с первым катящимся двигателем на основе ДНК» . физ.орг . Проверено 4 декабря 2015 г.

[18] «Глава 18: ДНК-наноробототехника - журнал и публикации по нанотехнологиям» . Журнал и публикации по нанотехнологиям . Архивировано из оригинала 8 декабря 2015 г. Проверено 4 декабря 2015 г.

[19] «Гимнастические трюки помогают «ходоку» ДНК установить рекорд скорости» . Природа . 557 (7705): 283. Май 2018 г. doi : 10.1038/d41586-018-05127-8 . ПМИД 29760489 .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]

[ 16 ]

[ 17 ]

[ 18 ]

[ 19 ]