图|研究人员创造了生物运动蛋白和非运动 DNA 结合域（浅蓝色和橙色）的混合体，它们在包含 DNA 结合域识别位点（深蓝色和橙色）的合成 DNA 轨道上单向行走

一些背景

细胞骨架的许多分子马达是二聚体蛋白质，它们通过“竞走”在特定轨道上定向移动——至少两种蛋白质中的一种始终与轨道结合，直到二聚体马达与轨道分离。当一种蛋白质分离并随后触发动力冲程时，就会发生运动。结果，马达绑定到轨道上的下一个连接点。在细胞环境中，蛋白质马达组在这些轨道上自主地长距离运输分子。这些运动蛋白已被探索为在微米尺度上操纵分子的活性成分，这可能导致在医学、材料科学和分子编程中的应用。

在过去的几十年里，尝试使用蛋白质马达和细胞骨架轨道来完成非平凡的任务受到了不同于微设备的生物系统所施加的限制的阻碍。生物细胞骨架自然是复杂的，并且不断地自我重组。尽管它们具有很强的鲁棒性，但这些细胞骨架轨道并不适合需要可重复性或精确放置的应用。另一个关键挑战是将信息嵌入到轨道和运动蛋白中，以对系统的动力学进行编程，例如引导运动蛋白运动。通常，细胞骨架轨迹不包含导航提示。相反，涉及信号蛋白微妙相互作用的复杂反应网络编排了运动蛋白沿其轨迹的运动。

为了克服这些设计挑战，先前，科学家们探索了自组装 DNA 结构，例如 DNA 折纸纳米结构和微米长的 DNA 纳米管，作为分子马达的轨道。DNA 纳米结构可以设计成任意结构和图案，并且可以排列在具有确定位置和方向的光刻图案微阵列上。先前的研究使用了沿着 DNA 轨道定向移动的 DNA 步行器。然而，由于缺乏动力冲程，大多数 DNA 步行者会破坏它们的轨道以实现单向运动，而且大多数的移动速度也比运动蛋白慢几个数量级。

研究结果

鉴于此，研究人员通过用 19 种识别非回文序列的 DNA 结合域替换单体人类细胞质动力蛋白的微管结合域，将动力蛋白转化为可以在合成DNA 轨道上穿越和执行预定任务的马达。这些马达的速度接近蜂窝马达的速度。轨道上识别序列的方向确保了单向运动，并实现了混合马达的高度多路控制，因为只有配备正确鞋的马达才能在特定的轨道上行走。

通过将两个混合马达与刚性蛋白质接头连接起来构建二聚马达。尽管人造二聚体在 DNA 纳米管上表现出定向运动，但该运动包含扩散成分并且不具有高度的加工性。运行长度为 700 nm，这对于微米级系统来说是不够的，但与许多加工蛋白质马达的运行长度相当。通过在人工 DNA 支架上连接 15 个混合马达单体，运行长度增加到 6 µm，类似于普通底盘上蛋白质马达之间的相互作用如何增加它们的集体运行长度。

图|DNA纳米管结构的影响和方向性的控制

最后，作者通过调整识别位点的位置和方向，设计了四种不同类型的 Y 形分子转运蛋白（分散器、聚集器、分选器和整合器），从而利用了混合马达DNA 结合域的正交性。在分散器中，Y 形轨道自始至终具有相同的识别位点，并且马达远离交叉点。在聚合器中，识别位点的方向被翻转，因此马达向交叉点移动。分选器由两个正交的识别序列组成，它们各自的识别序列分支成不同的轨道，以最小的串扰对不同的电机进行分类。集成器将两个正交马达组合到包含多个识别位点的单个轨道上。总的来说，这些原始组件可以用作在分子工厂中执行复杂分子机器人任务的模块。

图|Y 形 DNA 纳米管轨道上的分子传输系统

 展望

从头设计可与自然对应物相媲美的马达和丝状轨道一直是深入了解单个马达蛋白及其自组织的具有挑战性的途径。作者通过开发在特定 DNA 轨道上移动的 DNA 结合蛋白和天然马达的嵌合体来规避这一挑战。该工作使我们更接近于理解复杂的细胞骨架系统，这是一个由辅助蛋白、运动蛋白及其轨迹组成的相互连接的模块网络。在这方面，马达和可编程细胞骨架轨道的再设计可以为研究其他复杂的、自组织的生物分子系统提供一个受控的实验框架。

参考文献：

1. Programmable molecular transportachieved by engineering protein motors to move on DNA nanotubes. Science 2022.

DOI: 10.1126/science.abj5170

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abj5170

2. The right shoe for the job. Science2022.

DOI: 10.1126/science.abn9659

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn9659