由日本資訊通信研究機構（NICT）未來ICT研究所的研究員指宿良太與主任研究員古田健也等人組成的研究團隊宣佈，與兵庫縣立大學共同開發出了可以按照程序在DNA奈米管軌道上移動的新型生物奈米機器，實現了新的分子運輸系統。這是基於天然生物分子馬達的奈米機器，這種奈米機器能擷取通過DNA鹼基序列編寫在由多個DNA雙螺旋集束在一起形成的DNA奈米管軌道上的命令，並按照命令沿軌道自行移動。另外，研究團隊還開發出了擷取不同指令的多臺奈米機器，實現了通過在軌道上編寫並嵌入「向右前進」或「向左前進」等指令，可以按照程序對奈米級「貨物（分子）」進行分類的分子運輸系統。相關成果已經發表在美國綜合科學期刊《Science》的3月11日號上。
圖：兩種奈米機器在Y字型DNA奈米管上對「貨物」進行分類的模式圖（供圖：資訊通信研究機構（NICT））
生物系統通過不斷消耗能量並選擇性地將所需分子運送到所需位置來維持生命活動。驅動該系統的是作為生物奈米機器之一的肌凝蛋白、驅動蛋白和動力蛋白等生物分子馬達。
這些生物分子馬達將生命活動所需的各種分子作為貨物，將細胞内部的細胞骨架纖維（微管和肌動蛋白纖維）作為軌道，通過在上面進行運輸來選擇性地運送貨物。
因此，如果能以可控的方式從細胞中取出這種分子馬達系統加以利用，就有望實現由生物分子構成的計算機，以及在體內工作的分子機器人等劃時代的應用。
然而，此前的生物分子馬達由於難以人為控制作為軌道的細胞骨架纖維，一直未實現實用化。為瞭解決這個問題，需要將分子馬達的軌道換成更容易控制的軌道。
因此，研究團隊此次利用DNA作為軌道取代了由蛋白質構成的細胞骨架纖維，實現了新的分子運輸系統。首先，通過在作為生物分子馬達的動力蛋白上連接DNA結合蛋白，開發出了與DNA結合併自行移動的奈米機器。
然後，研究團隊確立了讓奈米機器擷取玻璃基底層上鋪設的軌道上的DNA鹼基序列編寫的指令，並按照組合這些指令建立的程序（運動方向、速度等）自行移動的控制技術。
利用該技術，成功構建了可以像高速公路出入開口一樣在Y字型DNA奈米管上自動分揀多種奈米級「貨物」，或者將這些分散的「貨物」集中到一處的新型分子運輸系統。
生物資訊處理系統具有可以高速處理大量組合，以及比電子設備節能等優異特點。實現這些特點的就是生物分子馬達等奈米機器。但由於生物體中由大量奈米機器構成的資訊處理系統非常複雜，一直沒有明確相關原理。
為了明確該原理，利用生物奈米機器試著製作同樣的裝置等建設性的方法比較有效。此次的研發成果可以說為這種方法開闢了道路。
研究團隊就此次的成果期待地表示：「通過以生物分子馬達為基礎設計可控奈米機器，可以構建並瞭解生物的資訊處理系統。將來有望為模擬生物的新一代資訊處理系統研究帶來突破。」
【論文資訊】
發表期刊: Science 2022年3月11日號
DOI: 10.1126/science.abj5170
URL: doi.org/10.1126/science.abj5170
發表論文名稱: Programmable molecular transport achieved by engineering protein motors to move on DNA nanotubes
原文：《科學新聞》
翻譯編輯：JST客觀日本編輯部
