Ein DNA-Origami-Ratschenmotor

Nov 05, 2023

Nature Band 607, Seiten 492–498 (2022)Diesen Artikel zitieren

41.000 Zugriffe

36 Zitate

581 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Um den Bewegungen eines molekularen Mechanismus eine Richtung zu verleihen, muss man die zufälligen thermischen Kräfte überwinden, die in solch kleinen Maßstäben und in flüssiger Lösung bei Umgebungstemperatur allgegenwärtig sind. Im Gleichgewicht ohne Energiezufuhr kann eine gerichtete Bewegung nicht aufrechterhalten werden, ohne die Gesetze der Thermodynamik zu verletzen. Unter Bedingungen außerhalb des thermodynamischen Gleichgewichts kann eine gerichtete Bewegung im Rahmen von Brownschen Ratschen erreicht werden, bei denen es sich um diffusive Mechanismen handelt, die die Inversionssymmetrie gebrochen haben1,2,3,4,5. Es wird angenommen, dass Ratcheting die Funktion vieler natürlicher biologischer Motoren wie der F1F0-ATPase6,7,8 unterstützt, und es wurde experimentell in synthetischen Systemen im Mikromaßstab demonstriert (zum Beispiel unseres Wissens zuerst in Lit. 3) und auch in künstlichen molekularen Motoren, die durch organische chemische Synthese hergestellt werden9,10,11,12. Die DNA-Nanotechnologie13 hat eine Vielzahl nanoskaliger Mechanismen hervorgebracht, darunter Drehzapfen, Scharniere, Kurbelschieber und Drehsysteme14,15,16,17, die unterschiedliche Konfigurationen annehmen können, beispielsweise ausgelöst durch Strangverschiebungsreaktionen18,19 oder durch sich ändernde Umgebungsparameter wie z B. pH-Wert, Ionenstärke, Temperatur, äußere Felder und durch Kopplung ihrer Bewegungen mit denen natürlicher Motorproteine20,21,22,23,24,25,26. Diese frühere Arbeit und die Berücksichtigung der Dynamik niedriger Reynolds-Zahlen und der inhärenten Stochastizität27,28 führten uns dazu, einen nanoskaligen Rotationsmotor aus DNA-Origami zu entwickeln, der durch Ratschen angetrieben wird und dessen mechanische Fähigkeiten denen biologischer Motoren wie F1F0-ATPase nahekommen.

Wir nutzten die Methoden des DNA-Origami29,30, um einen 40 nm hohen und 30 nm breiten Sockel zu entwerfen und herzustellen, auf dem wir eine gleichseitige dreieckige Plattform mit 60 nm langen Kanten und einer Dicke von 13 nm befestigten (Abb. 1a–c und). Ergänzende Abbildungen 1 und 2). Ein Abschnitt des Sockels, der durch den zentralen Hohlraum der dreieckigen Plattform ragt, umfasst eine Andockstelle für einen Rotorarm. Die Andockstelle wird durch einen Drehpunkt bestehend aus drei ungepaarten Nukleotiden nahe der Mitte der dreieckigen Plattform auf dem Sockel fixiert. Der Rotorarm besteht wiederum aus zwei aneinandergereihten starren Stabmodulen (jedes ein separates DNA-Origami) (Abb. 1d, e und ergänzende Abb. 3) mit einer Gesamtlänge von 550 nm. Die Länge des Rotorarms wurde gewählt, um Winkelausrichtungsänderungen einzelner Motoren in Echtzeit in einem beugungsbegrenzten Fluoreszenzmikroskop zu verfolgen und Winkelbewegungen durch viskose Reibung mit dem Lösungsmittel zu verlangsamen, inspiriert von den klassischen Experimenten von Kinosita und anderen zeigte die Rotation einzelner F-Aktin-markierter F1-ATPase-Motoren8. Die Stabmodule bestanden aus zehn DNA-Doppelhelices, die in einem Wabengittermuster angeordnet waren (Abb. 1d, e). Es wurde zuvor gezeigt, dass solche helikalen Bündel Persistenzlängen im Bereich von mehreren Mikrometern aufweisen 31 . Der Rotorarm kann somit als starrer, aber elastischer Stab betrachtet werden. Der Rotorarm ragt auf beiden Seiten des Drehpunkts über die Grenzen der dreieckigen Plattform hinaus. Bei dieser Konstruktion ist der Rotorarm sterisch auf einachsige Drehungen um den Drehpunkt innerhalb der Dreiecksebene beschränkt. An den drei Kanten der dreieckigen Plattform haben wir außerdem physische Hindernisse installiert (Abb. 1c). Die Hindernisse bestehen aus 18 Seemeilen langen rechteckigen Platten, die mit einer Neigung von etwa 50° aus der Oberfläche der dreieckigen Plattform herausragen. Die Platten wurden mit einem Satz doppelhelikaler Abstandshalter starr in diesem Winkel gehalten. Um die Hindernisse beim Überstreichen der dreieckigen Plattform zu überwinden, muss sich der Rotorarm nach oben biegen. Die Biegung stellt eine energetische Barriere dar, die den Rotor auf Boltzmann-gewichtete Weise zwischen Hindernissen einklemmen kann. Der Motor umfasst auch funktionelle Modifikationen wie Biotineinheiten und Fluoreszenzfarbstoffe (Abb. 1f), um eine experimentelle Beobachtung der Bewegung einzelner Motorpartikel zu ermöglichen. Mit den Biotin-Einheiten können die Statoren über mehrere Biotin-Neutravidin-Bindungen pro Stator starr an Mikroskop-Glasdeckgläsern befestigt werden, und die mehreren Fluoreszenzfarbstoffe an den Spitzen des Dreharms ermöglichen die Bestimmung seiner Ausrichtung mithilfe der Schwerpunktverfolgung32 relativ zur Position der einzelnen Statoren beschriftete dreieckige Plattform (Abb. 1f).

a,b, Schematische Darstellung eines Sockels bzw. einer dreieckigen Plattform. Zylinder zeigen DNA-Doppelhelices an. c, Schematische Darstellung der Motormontageschritte. d,e, Rotorarmkomponenten. f, Links, schematische Darstellung des Versuchsaufbaus zur Beobachtung der Motordynamik in einem inversen TIRF-Mikroskop. Der Sockel ist über mehrere Biotin-Neutravidin-Verbindungen an einem Mikroskop-Deckglas befestigt. Oranger Stern, Cy5-Farbstoffe. Blaue Sterne, Markierungspositionen für DNA-PAINT-Imager-Stränge. Rechts tauchen zwei Platinelektroden von oben in die Flüssigkeitskammer ein und sind mit einem Funktionsgenerator verbunden, der einen rechteckigen Wechselstrom erzeugt, um eine energetische Modulation mit fester Achse zu erzeugen, die auf alle Motoren wirkt.

Im thermischen Gleichgewicht wird jede Bewegung in jede Richtung durch die entgegengesetzte Bewegung ausgeglichen, so dass das System im Langzeitbereich nicht voreingenommen ist; sonst hätten wir ein Perpetuum mobile. Unser Motor ist daher für den Betrieb als Ratsche unter Bedingungen außerhalb des thermischen Gleichgewichts ausgelegt. Um einen asymmetrischen oder voreingenommenen Ratscheneffekt hervorzurufen, legen wir mithilfe von in die Flüssigkeitskammer eingetauchten Elektroden ein nicht rotierendes elektrisches Wechselstromfeld an (Abb. 1f und siehe auch Erweiterte Daten Abb. 1). Das Feld verursacht einen wechselnden Ionenstrom, der entlang einer festen Achse durch die Probenkammer fließt. Die durch diese externe Modulation erzeugte zeitlich gemittelte Nettokraft ist Null. Die externe Modulation liefert keine Informationen, die eine Drehung des Motors vorschreiben könnten. Stattdessen kann die Modulation je nach Art und Lage der Energieminima im Motor relativ zur Achse des elektrischen Feldes eine kinetische Asymmetrie pro Feldzyklus erzeugen, die dazu führt, dass sich der Motor mit einer bevorzugten Drehrichtung bewegt (Extended Data Abb. 2). ).

Wir haben unser Motordesign in DNA-Sequenzen29 (Supplementary Datasets 1–5) kodiert und die Motoren in Eintopf-Reaktionsmischungen unter Verwendung zuvor beschriebener Verfahren selbst zusammengebaut33. Wir haben die Qualität der Selbstorganisation mithilfe einer gelelektrophoretischen Mobilitätsanalyse (Extended Data Abb. 3) bewertet und die 3D-Form des Motorkomplexes, einschließlich des Sockels, der dreieckigen Plattform und des Rotordocks, mit einer 3D-Elektronendichtekarte validiert Wir haben dies mithilfe der Einzelpartikel-Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) bestimmt (Abb. 2a, b und erweiterte Daten Abb. 4). Innerhalb der Auflösung zeigte die Elektronendichtekarte alle gewünschten Hauptstrukturmerkmale, einschließlich der Hindernisse und des Rotordocks. Wir haben auch die korrekte Montage des gesamten Motorkomplexes mit dem Rotorarm in voller Länge durch Bildgebung mit Negativfärbungs-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) validiert (Abb. 2c).

a, Verschiedene Ansichten einer 3D-Elektronendichtekarte des Motorblocks, ermittelt mittels Einzelpartikel-Kryo-EM (siehe auch Extended Data Abb. 4 und in der Electron Microscopy Data Bank (EMDB) unter Code EMD-14358). b: Detail der Kryo-EM-Karte des Motorblocks, dargestellt bei unterschiedlichen Dichteschwellen, bei denen die drei Hindernisse und das Rotordock erkennbar sind. Einschub, schematische Darstellung der sechs bevorzugten Aufenthaltsorte des Rotorarms. c, Beispielhafte negativ gefärbte TEM-Bilder einer Motorvariante mit angebrachtem langen Rotorarm. Maßstabsbalken, 50 nm. d, Beispielhafte Einzelpartikel-Fluoreszenzbilder. Maßstabsbalken, 500 nm. Die Bilder zeigen die Standardabweichung der mittleren Intensität pro Pixel, berechnet über alle Bilder aufgezeichneter TIRF-Videos. e, DNA-PAINT-Bilder, die die Positionen der Rotorarmspitzen relativ zur Dreiecksplattform zeigen. Maßstabsbalken, 500 nm.

Die Totalreflexionsfluoreszenzmikroskopie (TIRF) von oberflächenimmobilisierten Motorpartikeln im Gleichgewicht zeigte rotierende Partikel, bei denen der Rotorarm vorzugsweise in sechs diskreten Positionen verweilte (Abb. 2d und erweiterte Daten Abb. 5a und 6). Diese Positionen entsprachen den Ausrichtungen, bei denen der Rotorarm auf beiden Seiten der hervorstehenden Hindernisse eingeklemmt war, was wir mithilfe der DNA-PAINT-Bildgebung34 ermittelten (Abb. 2e und Extended Data Abb. 5b). Die DNA-PAINT-Bilder bieten auch eine überzeugende Veranschaulichung der relativen Abmessungen der dreieckigen Plattform im Vergleich zum viel längeren Rotorarm. Unser Motorkomplex realisiert somit einen diffusiven Rotationsmechanismus mit mehreren Energieminima (Extended Data Abb. 7).

Wir haben die Schwerpunktverfolgung32 verwendet, um die Ausrichtung des Rotorarms pro Bild aus den Einzelpartikel-TIRF-Videos genauer zu bestimmen. Im Gleichgewicht, das heißt, wenn das äußere Feld ausgeschaltet war, zeigten die Motorteilchen unvoreingenommene zufällige Drehbewegungen mit verschwindenden kumulativen Winkelverschiebungen, wie man es von Gleichgewichtsschwankungen in einer Energielandschaft erwarten würde (Abb. 3a und Extended Data Abb. 8). Als wir dagegen das Wechselstromfeld einschalteten, änderte sich ein Teil der Motorpartikel (32,3 %) sofort von einer zufälligen, ungerichteten Rotation zu einer prozessiven Rotation mit Richtungsvoreingenommenheit (Abb. 3a und Zusatzvideos 1 und 2). Die von uns aufgezeichnete maximale Winkelgeschwindigkeit betrug ungefähr 250 volle Umdrehungen pro Minute und ungefähr die gleiche Anzahl von Motoren drehte sich prozessiv im Uhrzeigersinn (CW) und gegen den Uhrzeigersinn (CCW), als das Feld eingeschaltet war (Abb. 3b).

a, Beispielhafte Einzelpartikelspuren, die die kumulative Winkelverschiebung der Rotorarmspitzen zeigen, wobei das Wechselstromfeld während der ersten 10 s ausgeschaltet war. Blau und Orange, beispielhafte Motoren, die im Uhrzeigersinn bzw. gegen den Uhrzeigersinn drehen; grün, ein Partikel, das ohne erkennbare Voreingenommenheit weiter wackelte, selbst wenn das Feld eingeschaltet war. Das Wechselstromfeld war eine 5-Hz-Rechteckwelle mit einer Amplitude von 20 V, sofern nicht anders angegeben. Eine Nahaufnahme der ersten 10 s mit ausgeschaltetem Wechselstromfeld finden Sie in Extended Data Abb. 8. b, Histogramme der Winkelgeschwindigkeit einzelner Teilchen bei ausgeschaltetem Feld (links, N = 557) im Vergleich zu eingeschaltetem Feld (rechts, N = 1.078). c, Beispielhafte Einzelmotorspuren, die den Einfluss der Ausrichtung der AC-Feldachse auf die Motorgeschwindigkeit zeigen. Die AC-Feldachse wurde schrittweise in 5°-Schritten gedreht. Gestrichelte Linien zeigen Zeitpunkte an, zu denen die Feldrichtung aktualisiert wurde. d, Streudiagramm der phasenkorrigierten Winkelgeschwindigkeiten für verschiedene Wechselfeldachsen (N = 75). Die Boxplots zeigen das 25. und 75. Perzentil, wobei die Whiskers das 10. und 90. Perzentil angeben. Rote Linien innerhalb der Kästchen markieren den Median. e, Durchgezogene Linien, beispielhafte Einzelpartikelspuren, die während eines Wechselstromfrequenzdurchlaufs beobachtet wurden und einen CCW- und einen CW-rotierenden Motor zeigen. Gestrichelte Linien geben die effektive Winkelgeschwindigkeit als Umdrehungen/Feldzyklen an. f, Durchgezogene Linien, beispielhafte Einzelpartikelspuren, die während eines Spannungsdurchlaufs beobachtet wurden und einen CCW- und einen CW-rotierenden Motor zeigen. Gepunktete Linien geben die Effizienz der Richtungsvorspannung an, wie in e. g, Streudiagramm der absoluten Winkelgeschwindigkeiten pro Wechselfeldzyklus für verschiedene Frequenzen (links, N = 156) und verschiedene Spannungen (rechts, N = 28). Box- und Whisker-Plots wie in d. Siehe auch Zusatzvideos 1–8.

Quelldaten

Die Drehrichtung und die effektive Winkelgeschwindigkeit jedes Motorpartikels könnten durch die Ausrichtung der Wechselfeldachse relativ zu den Motorpartikeln (die auf dem Substrat fixiert sind) gesteuert werden. Um diese Eigenschaft zu demonstrieren, verwendeten wir einen Vier-Elektroden-Aufbau, der es uns ermöglichte, die effektive Richtung der Wechselstromfeldachse durch eine Überlagerung elektrischer Felder abzustimmen, die in der x- und y-Richtung der Glasdeckglasebene angelegt wurden. In einer Reihe von Experimenten drehten wir die Wechselstromfeldachse alle 1,6 s in Schritten von 5° und zeichneten dabei einzelne Motorbewegungen auf und verfolgten sie. Als Ergebnis erhielten wir Einzelpartikel-Trajektorien, die eine kumulative Winkelverschiebung pro Einzelpartikel als Funktion der Zeit liefern (Abb. 3c und Zusatzvideos 3 und 4). Aus diesen Daten berechneten wir die effektive Winkelgeschwindigkeit jedes Motors und zeichneten diese als Funktion der Ausrichtung der Feldachse in jedem 1,6-s-Inkrement auf (erweiterte Daten, Abb. 9). Bei den meisten Motoren beobachten wir eine sinusförmige Abhängigkeit der Motorgeschwindigkeit von der Feldrichtung, einschließlich Abwürgen und Richtungsumkehr. Jeder Motor hat eine bestimmte Wechselstromfeldausrichtung, für die der Motor maximale und minimale Geschwindigkeit anzeigt. Wir führen diese „Phasenverschiebungen“ zwischen den Motorgeschwindigkeiten auf die Tatsache zurück, dass die Motoren mit zufälliger Ausrichtung auf dem Mikroskopdeckglas fixiert sind. Wir haben die Winkelgeschwindigkeit mit den Feldorientierungsdaten abgeglichen und den Durchschnitt und die Standardabweichung der Winkelgeschwindigkeit über ein Ensemble von 75 Motorpartikeln berechnet, was einen Eindruck von der Geschwindigkeitsvariabilität von Motor zu Motor vermittelt (Abb. 3d). Wir haben auch die Dynamik einzelner Motoren als Funktion der Frequenz und Amplitude des Wechselstromfelds charakterisiert (Abb. 3e – g und Zusatzvideos 5–8). Die effektive Winkelgeschwindigkeit der Motoren hing von der Wechselstromfrequenz ab, mit einem Optimum bei einer Antriebsfrequenz von 5 Hz. Bei der Anwendung von Gleichstromfeldern fehlte die Richtungsvorspannung der Rotation und sie verschwand auch bei hohen Wechselstromfrequenzen (100 Hz). Ebenso könnte die Winkelgeschwindigkeit der Motoren auch durch die Wechselstromfeldamplitude gesteuert werden, wobei eine optimale effektive Winkelgeschwindigkeit im Amplitudenband zwischen 20 und 60 V erzielt wird.

Anhand der aufgezeichneten Daten können wir das Drehmoment und die von den Motoren auf die Umgebung geleistete Arbeit abschätzen, die in unseren Experimenten zu Abb. 3 in Form von Reibungswiderstand des langen Rotorarms mit dem Lösungsmittel abgeführt wurde . Der Rotationsreibungskoeffizient für den Rotorarm \(({\zeta }_{{\rm{r}}}=\pi \eta {L}^{3})\) beträgt ungefähr 4 × 10−22 N m s . Auf der Grundlage der maximal beobachteten Winkelgeschwindigkeit von 25 Radianten s−1 (1.500° s−1) kommen wir zu einem maximalen Drehmoment von etwa 10 pN nm, das mit den 50 pN nm verglichen werden kann, die F1F0-ATPase erzeugen kann35 . Die geschätzte maximale Leistung unserer Motoren, die durch Reibung verloren ging, betrug 250 pN nm s−1 (62 kBT s−1), was dem Äquivalent der freien Energie entspricht, die durch die Hydrolyse von etwa 2,5 ATP-Molekülen pro Sekunde unter zellulären Bedingungen entsteht.

Wir können einen Einblick in den Mechanismus unserer Motoren gewinnen, indem wir die effektiven Energielandschaften in Abb. 4a – c betrachten, die beispielhaft für verschiedene Statorfeldausrichtungen eines vereinfachten Zwei-Minima-Rotationsmotors berechnet wurden (siehe auch Erweiterte Daten Abb. 2). Die für die Nettorichtungsauswahl (Bias oder Ratcheting) erforderliche Asymmetrie wird durch das Zusammenspiel zwischen der vom Motorkörper bereitgestellten statischen Hintergrundpotentiallandschaft und dem externen Modulationsfeld erzeugt. Das Ausmaß der Asymmetrie hängt von der Ausrichtung der Motorenergielandschaft relativ zum Feld ab (Abb. 4c), wie beispielhaft durch Langevin-Dynamiksimulationen in diesen Energielandschaften veranschaulicht, die zu Rotationstrajektorien mit CW bzw. CCW bzw. ohne Richtungsvoreingenommenheit führen . Da wir in unseren Experimenten zufällig Motorpartikel auf Objektträgern der Mikroskopie abgelagert haben, erhielten wir eine annähernd gleichmäßige Stichprobe der Motorausrichtungen relativ zur Feldachse und somit eine Stichprobe von Motoren, die sich im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehten (Abb. 3c, d). Die Zusatzvideos 9–11 fassen schematisch zusammen, wie die erwartete Motorgeschwindigkeit von der Feldausrichtung, der Frequenz und der Amplitude abhängt.

a, durchgezogene Linie, schematische interne Energielandschaft für einen vereinfachten Zwei-Minima-Motor. Gestrichelte und gepunktete Linien, energetischer Beitrag des externen Wechselstromfeldes entlang der 0°–180°-Achse. Einschübe, Energiefunktionen in Polarkoordinaten. b, Durchgezogene Linien, Momentaufnahmen der Summe aus interner Motorenergie plus Feldbeitrag. Gestrichelte Linien, erwartete Flugbahn des Rotorarms bei Feldrichtungsumkehr. Die Anfangsposition pro Halbbildzyklus wird durch einen Punkt angezeigt. c, Energielandschaften für den hypothetischen Zwei-Minima-Motor aus a und b, dargestellt als zweidimensionale Raum-Zeit-Oberflächen und berechnet für drei beispielhafte Ausrichtungen des Motors relativ zur Feldachse (siehe Einschübe). Die Feldachse liegt in der Richtung 0°–180°. Gelbe Punkte, beispielhafte Einzelteilchenflugbahnen, simuliert durch Langevin-Dynamik. d, Verteilung der kumulativen Winkelverschiebungen nach zwei, vier und sechs Wechselstromfeldzyklen, aggregiert aus einer simulierten Langevin-Dynamik-Trajektorie. Die markanten Spitzen in 180°-Intervallen sind auf die zweifache Symmetrie in der simulierten Energielandschaft zurückzuführen. e, Irreversibilitätsanalyse für simulierte Motoren. Dargestellt ist ein Ensemble-Durchschnitt von 20 simulierten Motoren, die bei unterschiedlichen Verdrängungswerten und für Zeitintervalle von zwei, vier und sechs Wechselstromzyklen bewertet wurden, wie durch die Farbe angegeben. Die Motoren weisen eine zweifache Symmetrie auf, wie in Tafel a dargestellt, wobei im blauen Schema Motorausrichtungen mit 45° relativ zum Feld und im roten Schema symmetrische Ausrichtungen (0°) verwendet wurden. Durchgezogene Linien, Orientierungshilfen für das Auge, um den Trend oder dessen Fehlen hervorzuheben. f, Irreversibilitätsanalyse experimentell beobachteter Motorpartikel. Die Färbung der Verteilung gibt das Zeitintervall wie in Tafel d an. Um Variationen in der Rotationsgeschwindigkeit zu berücksichtigen, wurde der lineare Trend in jedem Rotor vor der Berechnung der gezeigten Verteilungen auf eine Steigung von Eins renormiert. Zur Orientierung des Auges wurde eine Linie mit Einheitsneigung hinzugefügt. Siehe Erweiterte Daten Abb. 10b für die Irreversibilitätsanalyse experimentell beobachteter Partikel. g, links, schematische Darstellung einer Motorvariante, die eine ssDNA-Torsionsfeder am Drehpunkt enthält. Rechts, exemplarisch experimentell beobachtete kumulative Winkelverschiebung einzelner Motorpartikel. Erste Phase: Wechselstromfeld aus, Feder entspannt. Zweite Phase: Wechselstromfeld an, Feder wird aufgezogen. Dritte Phase: Wechselstromfeld ausgeschaltet, Feder entspannt sich und treibt die Bewegung an. Siehe auch Zusatzvideos 12 und 13.

Quelldaten

Um die Irreversibilität unseres Mechanismus auf der Ebene einzelner Motoren zu testen, haben wir die Eigenschaften ihrer Schwankungen im Kontext der stochastischen Thermodynamik analysiert36. Wenn wir die Verteilung der Verschiebungswinkel als Funktion der Zeit (bei Vielfachen der Wechselstromfeldperiode T) zusammenstellen, erwarten wir, dass die Rotoren auf natürliche Weise stochastische Schritte entlang der Richtung der Vorspannung und auch entgegen dieser ausführen (Abb. 4d und siehe). siehe auch Abb. 3a). Die stochastische Thermodynamik ermöglicht es uns, den Grad der Entropieproduktion in einem Nichtgleichgewichtssystem mit endlicher Flugbahn anhand des Verhältnisses zwischen den Übergangsraten stromaufwärts und stromabwärts zu untersuchen. Bezeichnet \({\rm{P}}\left({\theta }_{0}+\Delta \theta ,t| {\theta }_{0,}0\right)\) als Wahrscheinlichkeit der Rotation um Winkel Δθ über den Zeitraum t von der Anfangsposition von θ0 erwarten wir eine Fluktuationsbeziehung, die die Irreversibilität untersucht, indem sie die durchschnittliche Entropieproduktion Δs in den Nanomotoren über den Zeitraum t = nT (ein ganzzahliges Vielfaches der Periode des Wechselstromfelds) extrahiert ), in der Form

wobei ωeff und Deff die effektive Winkelgeschwindigkeit bzw. den Diffusionskoeffizienten der Nanomotoren während der gesamten stochastischen Ratschendynamik darstellen. Der effektive Diffusionskoeffizient hängt mit einem effektiven Reibungskoeffizienten ζeff zusammen, der vom mikroskopischen Mechanismus des Nichtgleichgewichtsantriebs abhängt. Beachten Sie, dass Gleichung (1) unabhängig von der Zeit t = nT ist. Diese Beziehung gilt für die von uns durchgeführten Simulationen (Abb. 4e) und auch für die experimentellen Daten prozessiv rotierender Motoren (Abb. 4f), wie aus dem Zusammenbruch aller Diagramme auf eine Linie mit Steigung Eins im Nicht ersichtlich ist -Gleichgewichtsfälle durch eine Neuskalierung der Steigungen. Der Nichtgleichgewichtsantrieb kann auch anhand der mittleren quadratischen Verschiebung untersucht werden, die einen Übergang vom diffusiven zum ballistischen Verhalten zeigt (Extended Data Abb. 10a). Wir können eine grobe theoretische Schätzung des Wirkungsgrades des Motors vorlegen. Wenn das System gegen ein externes Drehmoment τ arbeitet, beträgt seine Nettowinkelgeschwindigkeit \({\omega }_{{\rm{eff}}}\left(\tau \right)={\omega }_{{\rm {eff}}}-\tau /{\zeta }_{{\rm{r}}}\), woraus die nutzbare Arbeit pro Zeiteinheit von \({\omega }_{{\rm{eff}} }\left(\tau \right)\times \tau =({\omega }_{{\rm{eff}}}-\tau /{\zeta }_{r})\times \tau \) sein kann extrahiert, mit einer nominellen Effizienzschätzung von \(\epsilon \equiv \frac{({\omega }_{{\rm{eff}}}-\tau /{\zeta }_{{\rm{r}}} )\times \tau \,}{{{\rm{\zeta }}}_{{\rm{eff}}}{\times {\rm{\omega }}}_{{\rm{eff}} }^{2}}\) . Daher kann die maximale Arbeit extrahiert werden, wenn \(\tau ={\zeta }_{{\rm{r}}}{\omega }_{{\rm{eff}}}/2\, was zu a führt gebunden an die nominale Effizienz von \(\epsilon \le \frac{{\zeta }_{{\rm{r}}}\,}{{4{\rm{\zeta }}}_{{\rm{ eff}}}}\).

Wir haben auch getestet, ob unsere Motoren Drehmoment gegen eine weitere Last erzeugen können. Zu diesem Zweck haben wir Motorvarianten entworfen, die eine Torsionsfeder am Drehpunkt enthielten (Abb. 4g, erweiterte Daten Abb. 11 und ergänzende Abb. 4). Die Torsionsfeder bestand aus einer einzelsträngigen DNA-Schleife, deren eines Ende am Sockel und das andere Ende am Rotorarm befestigt war. Durch Rotordrehungen wird die Schleife als entropische Feder um die Rotordrehverbindung gewickelt. Die Wicklung erzeugt eine Rückstellkraft, die den Motor schließlich zum Stillstand bringt, sobald das von der aufgezogenen Feder erzeugte Drehmoment das vom Motor gelieferte maximale Drehmoment ausgleicht. Die so gespannte Feder dient dann als Energiespeicher, der bei Abschaltung der externen Energiezufuhr den Rotor in die Gegenrichtung antreiben kann, bis die Feder wieder entspannt wird. Dieses vorhergesagte Verhalten entspricht dem, was wir beobachtet haben: Einzelne Partikel mit der Torsionsfeder zeigten eine prozessive Rotation, wenn das Wechselstromfeld eingeschaltet war, bis zum Abwürgen, und begannen dann sofort, sich prozessiv in die entgegengesetzte Richtung zu drehen, sobald das Wechselstromfeld abgeschaltet wurde (Abb. 4g und). Ergänzende Videos 12 und 13).

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass unsere makromolekularen Rotationsmotoren Arbeit leisten können, was durch ihre anhaltende Rotation gegen den viskosen Widerstand in Lösung und durch ihre Fähigkeit, eine molekulare Torsionsfeder aufzuziehen, belegt wird. Mit Winkelgeschwindigkeiten bis zu 250 Umdrehungen pro Minute und Drehmomenten bis zu 10 pN nm erreichen die Motoren Drehzahlen und Drehmomente, die denen nahekommen, die man von leistungsstarken natürlichen molekularen Maschinen wie der ATP-Synthase kennt. Die Motoren bewegen sich aufgrund intrinsischer mechanistischer Eigenschaften in die Richtung und werden durch eine einfache externe Energiemodulation angetrieben, die keine Rückmeldung oder vom Benutzer bereitgestellte Informationen benötigt, um die Motoren zu steuern. Auch unsere Motoren bieten Steuerungsmöglichkeiten, die man von Makromotoren kennt: Der Anwender kann sie nach Belieben ein- und ausschalten, sie reagieren schnell und Geschwindigkeit und Drehrichtung sind regulierbar. Die Motoren können von jedem hergestellt und betrieben werden, der Zugang zu Standard-Nasslaborgeräten hat. Die Übermittlung der Sequenzinformationen reicht aus, um anderen Benutzern die Replikation und den Bau eigener Motoren mithilfe von DNA-Molekülen zu ermöglichen, die beispielsweise aus kommerziellen Quellen stammen. Die Produktion der benötigten DNA-Moleküle kann auf Massenmengen skaliert werden37. Aufgrund der Modularität der DNA-Origami-Komponenten erwarten wir, dass die Motoren auch modifiziert, angepasst und in andere Kontexte integriert werden können. Gopinath et al. haben kürzlich beschrieben, wie man DNA-Origami-Objekte auf programmierbare Weise auf strukturierten Festkörperoberflächen platzieren und ausrichten kann38,39. Diese Methoden könnten zum Aufbau von Motoranordnungen mit kontrollierter Statorausrichtung relativ zur Feldachse verwendet werden, um eine synchronisierte Rotation zu erreichen40. Unser Motordesign und Betriebskonzept könnte auch auf andere Systeme über DNA-Origami hinaus anwendbar sein. Beispielsweise könnten proteinbasierte Rotationsanordnungen mit geladenen Resten vermutlich de novo entworfen und durch Wechselfelder so angetrieben werden, dass sie mit gerichteter Vorspannung rotieren. Darüber hinaus könnten anstelle elektrischer Felder vermutlich auch andere Energiequellen mit wechselnder Richtung verwendet werden, beispielsweise alternierende Flüssigkeitsströme. Eine natürliche nächste Grenze wäre die Erforschung einer Barrieremodulation durch eine chemische Reaktion und die Ausnutzung der gerichteten Motorbewegung, um die chemische Synthese bergauf voranzutreiben, indem ein ausgefeilterer Synthesemechanismus mit koordinierter Hin- und Herbewegung verwendet wird – ähnlich wie die F1F0-ATP-Synthase angetrieben durch ATP mechanisch synthetisiert Drehbewegung.

Alle Strukturen wurden mit Cadnano 0,2 (Ref. 41) entworfen. Der Sockel wurde aus einem 7.585 Basen langen linearisierten Spezialgerüst gefaltet, während der Sockel mit Torsionsfeder aus einem 8.064 Basen langen Gerüst gefaltet wurde, ebenso wie beide Rotorarmteile. Die dreieckige Plattform wurde aus einem 9.072 Basen langen Gerüst gefaltet42.

Das kreisförmige Gerüst mit einer Länge von 8.064 Basen wurde wie zuvor beschrieben43 aus einem 2-l-Rührbioreaktor hergestellt. Das kreisförmige Gerüst mit einer Länge von 9.072 Basen sowie der kreisförmige Vorläufer des linearen Gerüsts mit einer Länge von 7.585 Basen wurden wie zuvor beschrieben aus Schüttelkolbenkulturen hergestellt42. Um das Gerüst zu linearisieren, wurde es wie zuvor beschrieben mit Zink aufgeschlossen37.

Alle Faltungsreaktionsmischungen enthielten eine endgültige Gerüstkonzentration von 50 nM und Oligonukleotidstränge (Integrated DNA Technologies (IDT)) von jeweils 500 nM (für die dreieckige Plattform) bzw. jeweils 200 nM (für die anderen Strukturen). Die Faltungsreaktionspuffer enthielten 5 mM Tris(hydroxymethyl)aminomethanhydrochlorid (TRIS-HCl), 1 mM Ethylendiamintetraessigsäure (EDTA), 5 mM NaCl und 10 mM (Rotorarme), 15 mM (beide Sockelvarianten) oder 20 mM (dreieckig). Plattform) MgCl2. Die Faltungslösungen wurden unter Verwendung von Thermozyklusgeräten von Tetrad (MJ Research, jetzt Bio-Rad) thermisch getempert. Die Reaktionen wurden 15 Minuten lang bei 65 °C belassen und anschließend einem thermischen Temperanstieg von 60 °C auf 44 °C (1 °C h−1) unterzogen. Die gefalteten Strukturen wurden bis zu weiteren Probenvorbereitungsschritten bei Raumtemperatur gelagert. Alle DNA-Sequenzen sind in den Ergänzungsdatentabellen 1–5 verfügbar.

Alle gefalteten Strukturen wurden von überschüssigen Oligonukleotiden gereinigt, entweder durch Fällung mit Polyethylenglykol (PEG) (Rotorarme und Sockelvarianten) oder durch physikalische Extraktion aus Agarosegelen (dreieckige Plattform). Gelgereinigte Monomere wurden mittels Ultrazentrifugation konzentriert. Die PEG-gereinigte Rotorarmverlängerung wurde mit einem Satz verbindender Oligonukleotidstränge bei einer MgCl2-Konzentration von 10 mM 1 Stunde lang bei 30 °C weiter inkubiert und anschließend erneut PEG präzipitiert. Alle Verfahren wurden wie zuvor beschrieben durchgeführt33.

Im ersten Schritt wurden die beiden Dimere, die dreieckige Plattform und der Sockel (Dimer 1), sowie die beiden Rotorarmteile (Dimer 2) durch Mischen einer 1:1-Lösung der jeweiligen Monomere bei einer endgültigen MgCl2-Konzentration von zusammengesetzt 40 mM (Dimer 1) und 5 mM (Dimer 2) und mindestens 16 Stunden bei 40 °C belassen. Anschließend wurde Dimer 1 mit PEG präzipitiert, um den Puffer auf eine endgültige MgCl2-Konzentration von 5 mM auszutauschen. Beide Dimere wurden gemischt und mindestens 16 Stunden lang bei 10 mM MgCl2 inkubiert.

Gefaltete und zusammengesetzte DNA-Nanostrukturen wurden auf 1,5 % oder 2 % Agarosegelen, die 0,5 × Trisborat-EDTA und 5,5 mM MgCl2 enthielten, 1,5–3 Stunden lang bei 90 oder 100 V Vorspannung in einer wassergekühlten Gelbox elektrophoretisch aufgetrennt. Die elektrophoretisch aufgetrennten Agarosegele wurden mit Ethidiumbromid angefärbt und mit einem Typhoon FLA 9500-Laserscanner (GE Healthcare) mit einer Auflösung von 50 μm pro Pixel gescannt.

Eine Probenmenge von 5 μl wurde auf glimmentladenen Cu-Gittern mit Kohlenstoffträger (Eigenproduktion und Science Services, München) adsorbiert und mit einer 2 %igen wässrigen Uranylformiatlösung enthaltend 25 mM NaOH angefärbt. Je nach Konzentration wurden die Proben unterschiedlich lange inkubiert. Im Allgemeinen wurden Strukturen mit Konzentrationen in der Größenordnung von mehreren zehn nM 30 s lang inkubiert, wohingegen niedriger konzentrierte Proben (5 nM oder weniger) 5 bis 10 min lang inkubiert wurden. Die Bilder wurden mit einem Philips CM100-Mikroskop aufgenommen, das bei 100 kV arbeitet.

Die gereinigte und konzentrierte Probe wurde auf glimmentladene C-Flat 2/1-4C (EMS)-Gitter (Protochips) aufgetragen und mit einem Vitrobot Mark V (FEI, jetzt Thermo Scientific) bei den folgenden Einstellungen tauchgefroren: Temperatur 22 ° C, Luftfeuchtigkeit 90 %, 0 s Wartezeit, 3 s Blotzeit, −1 Blotkraft, 0 s Ablaufzeit.

Die Daten wurden mit einem Titan Krios G2-Elektronenmikroskop bei 300 kV und einem Falcon 3-Direktdetektor unter Verwendung der EPU-Software (Thermo Scientific) erfasst. Es wurde eine Gesamtexposition von 3,3 s mit einer Dosis von 44 e Angström-2, aufgeteilt in 11 Fraktionen, verwendet.

Die Bildverarbeitung wurde in RELION 3.0 durchgeführt (Ref. 44,45). Die mikroskopischen Aufnahmen wurden bewegungskorrigiert und die Kontrastübertragungsfunktion mithilfe von MotionCor2 (Ref. 46) bzw. CTFFIND4.1 (Ref. 47) geschätzt. Die Partikel wurden mit crYOLO48 aufgenommen. Die automatisch ausgewählten Partikel wurden aus den mikroskopischen Aufnahmen extrahiert und in 2-Gruppen eingeteilt und einer Runde der 2D- und 3D-Klassifizierung unterzogen, um falsch ausgewählte Gitterverunreinigungen und beschädigte Partikel zu entfernen und strukturelle Heterogenität zu beseitigen. Mithilfe eines in RELION erstellten Ausgangsmodells mit niedriger Auflösung wurde eine verfeinerte 3D-Karte rekonstruiert. Für die endgültige Rekonstruktion wurden insgesamt 38.649 Partikel verwendet. Die Karte wurde mithilfe einer tiefpassgefilterten Maske nachbearbeitet, um die Fourier-Shell-Korrelationen zu berechnen und die globale Auflösung von 16 Angström mit einem manuell eingestellten B-Faktor von –500 abzuschätzen.

Die Monomere wurden wie zuvor beschrieben gefaltet, gereinigt und zusammengesetzt. Biotinylierte Oligos wurden mit einem 32-fachen Überschuss an Neutravidin (Thermo Fisher Scientific) inkubiert und dann 1–2 Stunden lang bei Raumtemperatur in einem etwa 10-fachen Überschuss zur Bindungsstelle zu den Polymeren gegeben. Die resultierende Reaktionsmischung wurde gelgereinigt, indem nur die tetramere Spezies extrahiert wurde. Die Probenkonzentrationen betrugen etwa 100 pM. Bei Bedarf wurde der Probe ein Satz von zwei Spacer-Oligonukleotidsträngen in einem etwa 100-fachen Überschuss hinzugefügt, um die Hindernisse auf der dreieckigen Plattform zu befestigen. Alle Proben wurden bis zur Abbildung am Mikroskop mehrere Wochen lang bei Raumtemperatur gelagert.

Die Vorbereitung des Biotin-PEG-Deckglasobjektträgers, die Herstellung der Durchflusskammer und der Aufbau der TIRF-Mikroskopie erfolgen wie zuvor in Lit. beschrieben. 25. Die Proben wurden in einem Bildgebungspuffer (FMB 500), der 500 mM NaCl, 100 mM TRIS-HCl und 2 mM EDTA enthielt, auf unter 100 pM verdünnt, in die Probenkammer gegeben und durch Biotin-Streptavidin-Biotin auf der Glasoberfläche immobilisiert Verknüpfung. Ungebundene Strukturen wurden durch Spülen mit FMB 500 nach etwa 5 Minuten entfernt. Die Probenkammer wurde dann zweimal mit dem endgültigen Bildgebungspuffer (FMB 1,5) gespült, der 150 mM TRIS-HCl, 1 mM EDTA, 1,5 M NaCl und ein Sauerstofffängersystem mit 2 mM Trolox (6-Hydroxy-2,5,7) enthielt ,8-Tetramethylchroman-2-carbonsäure), 0,8 % D-Glucose, 2.000 U ml−1 Katalase und 165 U ml−1 Glucoseoxidase. Für die Torsionsfedermessungen wurden 30 % Saccharose hinzugefügt und die endgültige NaCl-Konzentration auf 1 M gesenkt. Enzyme, Trolox und Glucose wurden von Sigma-Aldrich bezogen. Abschließend wurde die Probenkammer vollständig mit FMB 1,5 gefüllt und an der Oberseite der Durchflusskammer ein speziell angefertigter Stopfen angebracht, der 0,2 mm dicke Platindrähte befestigt, an denen die Betriebsspannung anliegt. Die angelegte Spannung wurde durch eine speziell entwickelte LabVIEW-Routine gesteuert, die Steuerspannungen an einen speziell entwickelten Operationsverstärker lieferte, um die endgültige Ausgangsspannung zu erzeugen. Die Videos wurden 40 bis 64 s lang mit einer Bildrate von 250 Bildern pro Sekunde und einem angelegten einachsigen Wechselstromfeld von 0–60 V und Frequenzen von 1–100 Hz aufgenommen.

Bewegte Partikel wurden manuell lokalisiert, Gauß-angepasst und mit der Picasso-Software49 ausgewählt. Alle aufeinanderfolgenden Schritte wurden mit einem benutzerdefinierten MATLAB-Skript ausgeführt. Aus der Verfolgung der Position der Rotorarmspitzen wurde die kumulative Winkelverschiebung ermittelt. Darüber hinaus wurden Winkelgeschwindigkeiten (Ω) berechnet nach:

wobei ϑ der Winkel am jeweiligen Frame ist (erster und letzter Frame einer Periode mit oder ohne externes Wechselstromfeld) und ∆t die Zeitdifferenz zwischen diesen beiden Frames angibt. Es wurde ein Histogramm der Winkelgeschwindigkeiten berechnet.

Für die hochauflösende DNA-PAINT-Bildgebung wurden alle drei Ecken der dreieckigen Plattform mit drei vorübergehenden DNA-PAINT-Bindungsstellen markiert. Nachdem die Rotordiffusionsdaten erfasst wurden, wurde der FMB 1.5-Bildgebungspuffer einschließlich des Sauerstofffängersystems durch eine DNA-PAINT-Bildgebungslösung bestehend aus 1×TAE, 12 mM MgCl2, 0,05 % TWEEN20 und 20 nM P1-Bildgebungssträngen ausgetauscht. Vor der Erfassung der DNA-PAINT-Daten wurden Rotor-Fluorophore durch erhöhte Einwirkung der 642-nm-Anregung gebleicht. Es wurden Videos mit 7.000 Bildern mit einer Belichtung von 400 ms und einer 642-nm-Anregungslaserleistung von 70 mW aufgezeichnet. Die punktuelle Erkennung von Imager-Bindungsereignissen und die Gauß-Anpassung von Punktspreizfunktionen wurden mit der „Localize“-Funktion des Picasso-Softwarepakets durchgeführt. Anschließend wurde die „Render“-Funktion verwendet, um die resultierende Ereignisliste zu visualisieren und die hochauflösenden DNA-PAINT-Daten mit den Daten der Rotordiffusionsmessungen zu korrelieren.

Für die Simulation betrachten wir den Rotorarm als Brownsches Teilchen in einer zeitabhängigen 1D-Energielandschaft U(ϑ, t). Dies ermöglicht es uns, die Gleichung erster Ordnung zu schreiben

mit Dämpfungskonstante λ und Rauschterm η, der \(\left\langle \eta \left(t\right)\eta \left({t}^{{\prime} }\right)\right\rangle =\) erfüllt \(2{k}_{{\rm{B}}}T\lambda \delta \left(t-{t}^{{\prime} }\right)\). Die Energielandschaft besteht aus einem zeitunabhängigen Rotor-Eigenbeitrag und einem alternierenden externen elektrischen Feld

in welchem

stellt das alternierende äußere elektrische Feld mit der Schwingungsperiode T dar. Die Parameter a, b und c bezeichnen die relativen Stärken des elektrischen Feldes, die intrinsische Rotorlandschaft bzw. die Breite der lokalen Energieminima. Darüber hinaus beschreibt ϑ0 den Winkel, den der Rotor mit der Feldachse einschließt, und die Energieminima liegen um Δϑ auseinander. Um die Verbindung zurück zur Rotationsdynamik sicherzustellen, muss Δϑ ein einfacher Bruchteil von 2π sein. Um die numerische Stabilität zu verbessern, arbeiten wir mit einer differenzierbaren Energielandschaft und nähern uns daher für einige große N an:

Die im Haupttext beschriebene und in Abb. 4 dargestellte Irreversibilitätsanalyse wird anhand der Daten wie folgt durchgeführt. Bei gegebenem Zeitintervall Δt berechnet man alle Paare \(\triangle {{\vartheta }}_{t}={{\vartheta }}_{n+t}-{{\vartheta }}_{n}\) aus einer Zeitreihe {ϑn}, in der dieses ϑn die Winkelposition des Rotors einschließlich vorheriger Vollumdrehungen misst.

Aus diesen Daten verwenden wir eine Kerndichteschätzung mit Gaußschen Kerneln (https://github.com/JuliaStats/KernelDensity.jl) der Wahrscheinlichkeitsverteilung \(p\left({{\vartheta }}_{0}\, {\rm{mod}}\,360,\triangle {\vartheta }\right)\), was einen Sprung von der Position ϑ0 zu ϑ0 + Δϑ darstellt. Mit dieser Verteilung berechnen wir

durch Mittelung über die Anfangspositionen \({{\vartheta }}_{0}\in [0,360)\). Die Analyse jedes Rotors k ergibt eine Funktion \({\left(\frac{\triangle s}{{k}_{{\rm{B}}}}\right)}_{k}\), die einer Näherung folgt linearer Trend unabhängig von t. Die geschätzten Verteilungen dieser Funktionen sind in Abb. 4 für simulierte und experimentelle Rotoren dargestellt. Die durchschnittliche Steigung des resultierenden Trends ist proportional zur Rotationsabweichung. Um die bemerkenswerte Variation der Rotationsvorspannung in verschiedenen Versuchsmotoren zu berücksichtigen, wurden alle Trends auf eine Einheitssteigung umnormiert. Dieser Renormierungsschritt wird für unvoreingenommene experimentelle Motoren, die daher ausgeschlossen wurden, schlecht definiert.

Die in Abb. 2 dargestellte Kryo-EM-Karte ist in der Electron Microscopy Data Bank (EMDB) unter dem Zugangscode EMD-14358 verfügbar. Kryo-EM- und Echtzeit-Fluoreszenzvideo-Rohdaten sind auf Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich. Sequenzen von Oligos und Gerüsten sowie Quelldaten sind in der Zusatzinformationsdatei verfügbar. Quelldaten werden mit diesem Dokument bereitgestellt.

Die MATLAB-Skripte für die TIRF-Mikroskopiedatenanalyse können unter https://github.com/DietzlabTUM/matlab_tirfm_movies50 heruntergeladen werden.

Astumian, RD Thermodynamik und Kinetik eines Brownschen Motors. Science 276, 917–922 (1997).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Reimann, P. Brownsche Motoren: Lauter Transport weit vom Gleichgewicht entfernt. Physik. Rep. 361, 57–265 (2001).

Artikel ADS MathSciNet MATH Google Scholar

Rousselet, J., Salome, L., Ajdari, A. & Prost, J. Richtungsbewegung von Brownschen Teilchen, induziert durch ein periodisches asymmetrisches Potential. Nature 370, 446–448 (1994).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Astumian, RD & Hänggi, P. Brownsche Motoren. Physik. Heute 55, 33–39 (2002).

Artikel Google Scholar

Hänggi, P. & Marchesoni, F. Künstliche Brownsche Motoren: Steuerung des Transports auf der Nanoskala. Rev. Mod. Physik. 81, 387 (2009).

Artikel ADS Google Scholar

Boyer, PD Die ATP-Synthase – eine großartige molekulare Maschine. Annu. Rev. Biochem. 66, 717–749 (1997).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Pinke, G., Zhou, L. & Sazanov, LA Kryo-EM-Struktur der gesamten F-Typ-ATP-Synthase von Säugetieren. Nat. Struktur. Mol. Biol. 27, 1077–1085 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Noji, H., Yasuda, R., Yoshida, M. & Kinosita, K. Jr. Direkte Beobachtung der Rotation der F1-ATPase. Nature 386, 299–302 (1997).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Koumura, N., Zijlstra, RW, van Delden, RA, Harada, N. & Feringa, BL Lichtgetriebener monodirektionaler molekularer Rotor. Nature 401, 152–155 (1999).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Kistemaker, JCM et al. Lichtbetriebene symmetrische Molekularmotoren der dritten Generation. Marmelade. Chem. Soc. 139, 9650–9661 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Wilson, MR et al. Ein autonomer, chemisch betriebener Kleinmolekülmotor. Natur 534, 235–240 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Hernández, JV, Kay, ER & Leigh, DA Ein reversibler synthetischer rotierender Molekularmotor. Wissenschaft 306, 1532–1537 (2004).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Seeman, NC Nanomaterialien basierend auf DNA. Annu. Rev. Biochem. 79, 65–87 (2010).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ramezani, H. & Dietz, H. Baumaschinen mit DNA-Molekülen. Nat. Rev. Genet. 21, 5–26 (2020).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Marras, AE, Zhou, L., Su, HJ & Castro, CE Programmierbare Bewegung von DNA-Origami-Mechanismen. Proz. Natl Acad. Wissenschaft. USA 112, 713–718 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Ketterer, P., Willner, EM & Dietz, H. Nanoskaliger Rotationsapparat, gebildet aus eng anliegenden 3D-DNA-Komponenten. Wissenschaft. Adv. 2, e1501209 (2016).

Artikel ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

List, J., Falgenhauer, E., Kopperger, E., Pardatscher, G. & Simmel, FC Fernbewegung großer mechanisch ineinandergreifender DNA-Nanostrukturen. Nat. Komm. 7, 12414 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zhang, DY & Winfree, E. Kontrolle der DNA-Strang-Verdrängungskinetik durch Zehenaustausch. Marmelade. Chem. Soc. 131, 17303–17314 (2009).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Yurke, B., Turberfield, AJ, Mills, AP Jr., Simmel, FC & Neumann, JL Eine DNA-betriebene molekulare Maschine aus DNA. Natur 406, 605–608 (2000).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Gerling, T., Wagenbauer, KF, Neuner, AM & Dietz, H. Dynamische DNA-Geräte und -Anordnungen, die durch formkomplementäre, nicht basenpaarende 3D-Komponenten gebildet werden. Wissenschaft 347, 1446–1452 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Ijas, H., Hakaste, I., Shen, B., Kostiainen, MA & Linko, V. Rekonfigurierbare DNA-Origami-Nanokapsel für die pH-kontrollierte Einkapselung und Präsentation von Ladung. ACS Nano 13, 5959–5967 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Idili, A. & Ricci, F. in DNA Nanotechnology Vol. 1811 (Hrsg. Zuccheri, G.) 79–100 (Humana Press, 2018).

Majikes, JM, Ferraz, LCC & LaBean, TH pH-gesteuerte Aktivierung von DNA-Origami über parallele I-Motivsequenzen in Lösung und auf Oberflächen. Biokonjug. Chem. 28, 1821–1825 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Turek, VA et al. Thermoresponsive Betätigung eines DNA-Origami-Flexors. Adv. Funktion. Mater. 28, 1706410 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Kopperger, E. et al. Ein selbstorganisierter nanoskaliger Roboterarm, der durch elektrische Felder gesteuert wird. Wissenschaft 359, 296–301 (2018).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Kosuri, P., Altheimer, BD, Dai, M., Yin, P. & Zhuang, X. Rotationsverfolgung genomverarbeitender Enzyme mithilfe von DNA-Origami-Rotoren. Natur 572, 136–140 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Golestanian, R. Synthetischer mechanochemischer Molekularschwimmer. Physik. Rev. Lett. 105, 018103 (2010).

Artikel ADS PubMed CAS Google Scholar

Golestanian, R. & Ajdari, A. Stochastische Schwimmer mit niedriger Reynoldszahl. J. Phys. Kondensiert. Materie 21, 204104 (2009).

Artikel ADS PubMed CAS Google Scholar

Douglas, SM et al. Selbstorganisation von DNA zu nanoskaligen dreidimensionalen Formen. Natur 459, 414–418 (2009).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rothemund, PW DNA falten, um nanoskalige Formen und Muster zu erzeugen. Natur 440, 297–302 (2006).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Kilchherr, F. et al. Einzelmolekülanalyse der Stapelkräfte in der DNA. Wissenschaft 353, aaf5508 (2016).

Artikel PubMed CAS Google Scholar

Yildiz, A., Tomishige, M., Vale, RD & Selvin, PR Kinesin gehen Hand in Hand. Wissenschaft 303, 676–678 (2004).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Wagenbauer, KF et al. Wie man DNA-Origami herstellt. ChemBioChem 18, 1873–1885 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Jungmann, R. et al. Einzelmolekülkinetik und hochauflösende Mikroskopie mittels Fluoreszenzbildgebung der vorübergehenden Bindung an DNA-Origami. Nano Lett. 10, 4756–4761 (2010).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Pänke, O., Cherepanov, DA, Gumbiowski, K., Engelbrecht, S. & Junge, W. Viskoelastische Dynamik von Aktinfilamenten gekoppelt an rotierende F-ATPase: Winkeldrehmomentprofil des Enzyms. Biophys. J. 81, 1220–1233 (2001).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Seifert, U. Stochastische Thermodynamik, Fluktuationssätze und molekulare Maschinen. Rep. Prog. Physik. 75, 126001 (2012).

Artikel ADS PubMed Google Scholar

Praetorius, F. et al. Biotechnologische Massenproduktion von DNA-Origami. Natur 552, 84–87 (2017).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Gopinath, A., Miyazono, E., Faraon, A. & Rothemund, PW Engineering und Kartierung der Nanokavitätsemission durch präzise Platzierung von DNA-Origami. Natur 535, 401–405 (2016).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Gopinath, A. & Rothemund, PW Optimierte Anordnung und kovalente Kopplung von Einzelmolekül-DNA-Origami-Nanoarrays. ACS Nano 8, 12030–12040 (2014).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Matsunaga, D. et al. Steuerung kollektiver Rotationsmuster magnetischer Rotoren. Nat. Komm. 10, 4696 (2019).

Artikel ADS PubMed PubMed Central CAS Google Scholar

Douglas, SM et al. Schnelles Prototyping von 3D-DNA-Origami-Formen mit caDNAno. Nukleinsäuren Res. 37, 5001–5006 (2009).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Engelhardt, FAS et al. Maßgeschneidertes, funktionelles und langlebiges DNA-Origami mit designspezifischen Gerüsten. ACS Nano 13, 5015–5027 (2019).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Kick, B., Praetorius, F., Dietz, H. & Weuster-Botz, D. Effiziente Produktion einzelsträngiger Phagen-DNA als Gerüste für DNA-Origami. Nano Lett. 15, 4672–4676 (2015).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Zivanov, J. et al. Neue Werkzeuge zur automatisierten hochauflösenden Kryo-EM-Strukturbestimmung in RELION-3. Elife 7, e42166 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Nakane, T., Kimanius, D., Lindahl, E. & Scheres, SH Charakterisierung molekularer Bewegungen in Kryo-EM-Einzelpartikeldaten durch Mehrkörperverfeinerung in RELION. Elife 7, e36861 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Zheng, SQ et al. MotionCor2: Anisotrope Korrektur der strahlinduzierten Bewegung für eine verbesserte Kryo-Elektronenmikroskopie. Nat. Methoden 14, 331–332 (2017).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Rohou, A. & Grigorieff, N. CTFFIND4: schnelle und genaue Defokusschätzung aus elektronenmikroskopischen Aufnahmen. J. Struktur. Biol. 192, 216–221 (2015).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wagner, T. et al. SPHIRE-crYOLO ist ein schneller und präziser vollautomatischer Partikelpicker für Kryo-EM. Komm. Biol. 2, 218 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wade, OK et al. Hochauflösende 124-Farben-Bildgebung durch die Entwicklung der DNA-PAINT-Blinkkinetik. Nano Lett. 19, 2641–2646 (2019).

Artikel ADS CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Schickinger, MRJ, Funke, JJ, Pumm, AK, Engelen, W. & Bertosin E. DietzlabTUM/matlab_tirfm_movies: erste Veröffentlichung von matlab_tirfm_movies (1.0.0). https://github.com/DietzlabTUM/matlab_tirfm_movies, https://doi.org/10.5281/zenodo.5568757 (2021).

Referenzen herunterladen

Diese Arbeit wurde durch einen European Research Council Consolidator Grant für HD (Fördervereinbarung 724261), die Deutsche Forschungsgemeinschaft durch Zuschüsse im Rahmen des Gottfried Wilhelm Leibniz-Programms (für HD), die SFB863-Projekt-ID 111166240 TPA9 (für HD) und TPA8 (für HD) unterstützt FCS), der SFB 1032 Projekt-ID 201269156 TPA2 (an FCS) und die Niederländische Organisation für wissenschaftliche Forschung (NWO, Rubicon-Programm, Projekt-Nr. 019.182EN.037 an WE). Die Arbeit wurde von der Max Planck School Matter to Life (an RG, FCS und HD) und dem MaxSynBio-Konsortium (an RG) unterstützt, die gemeinsam vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Max-Planck-Institut finanziert werden Planck-Gesellschaft. Wir bedanken uns für zusätzliche Unterstützung im Rahmen der Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder durch das RISE-Stipendium des TUM Innovation Network.

Lehrstuhl für Biomolekulare Nanotechnologie, Physik Department & Munich Institute of Biomedical Engineering, Technische Universität München, Garching near Munich, Germany

Anna-Katharina Pumm, Wouter Engelen, Viktorija Kozina, Massimo Kube, Maximilian N. Honemann, Eva Bertosin & Hendrik Dietz

Lehrstuhl für Physik Synthetischer Biosysteme, Physik Department, Technische Universität München, Garching near Munich, Germany

Enzo Kopperger, Matthias Vogt, Martin Langecker & Friedrich C. Simmel

Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation, Göttingen, Deutschland

Jonas Isensee & Ramin Golestanian

Rudolf Peierls Centre for Theoretical Physics, Universität Oxford, Oxford, Großbritannien

Ramin Golestanian

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

A.-KP synthetisierte Motorvarianten und führte die Forschung mit Unterstützung von VK durch; WIR haben mit Monte-Carlo-Simulationen zum Verständnis des motorischen Mechanismus beigetragen; A.-KP und EK führten DNA-PAINT-Experimente durch. EK, MV und ML lieferten und betrieben den maßgeschneiderten TIRF-Mikroskopieaufbau mit AC-Feldsteuerung für Motormessungen unter der Aufsicht von FCS; JI führte die Langevin-Simulationen durch und analysierte die experimentellen Daten im Zusammenhang mit der Fluktuationsbeziehung unter der Aufsicht von RG, der auch den theoretischen Teil der Forschung entwarf; MNH bereitete die maßgeschneiderten Gerüst-DNA-Stränge vor; MK und EB führten Kryo-EM-Experimente durch; HD konzipierte und gestaltete das Forschungsprojekt und betreute den experimentellen Teil der Forschung. A.-KP, WE, JI, RG und HD haben die Zahlen vorbereitet und das Manuskript geschrieben. Alle Autoren haben das Manuskript bearbeitet und kommentiert.

Korrespondenz mit Ramin Golestanian, Friedrich C. Simmel oder Hendrik Dietz.

Es wurde ein Patent angemeldet, in dem A.-KP, WE, EK und HD als Erfinder aufgeführt sind.

Nature dankt Henry Hess und den anderen, anonymen Gutachtern für ihren Beitrag zum Peer-Review dieser Arbeit.

Anmerkung des Herausgebers Springer Nature bleibt hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten neutral.

a, Schema des Querschnitts der Probenkammer mit eingesetztem Stopfen. b, Abbildung der zusammengebauten Probenkammer in der Draufsicht und schematische Darstellung der resultierenden Kanalform und Elektrodenverkabelung (Hauptelektrodenpaar in Schwarz, zweites optionales Paar in Grau). c, Abmessungen der oberen Komponente der Probenkammer (links) und Klebeband für ein (Mitte) und zwei (rechts) verwendete Elektrodenpaare. d, Schematische Draufsicht auf am Mikroskopdeckglas befestigte Rotoren mit einem Elektrodenpaar für ein einachsiges Wechselstromfeld. e, Schematische Draufsicht auf am Mikroskopdeckglas befestigte Rotoren mit zwei Elektrodenpaaren für die Möglichkeit der Drehung der Wechselfeldachse.

a,c,e, durchgezogene Linie, schematische interne Energielandschaft für einen vereinfachten Modellmotor mit einem (a), zwei (c) und sechs (e) Minima. Gestrichelte und gepunktete Linien zeigen den energetischen Beitrag eines externen Wechselstromfeldes, das entlang der 0°–180°-Achse angelegt wird. Die Einschübe rechts geben die Energiefunktionen in Polarkoordinaten an. b,d,f, durchgezogene Linien, Momentaufnahmen der effektiven Energielandschaft (d. h. der Summe aus interner Motorenergie plus Feldbeitrag) für einen Motor mit einem (b), zwei (d) und sechs (f) Minima. Gestrichelte Linien geben die erwartete Flugbahn des Rotorarms bei Feldrichtungsumkehr an. Die Anfangsposition pro Halbbildzyklus wird durch einen Punkt angezeigt.

Lasergescanntes Bild eines 1,5 %igen Agarosegels mit 5,5 mM MgCl2, das 165 Minuten lang in einem Wasserbad bei 100 V betrieben wurde und auf dem die folgenden Proben einer Elektrophorese unterzogen wurden: L, 1-kb-Leiter; 1, dreieckige Plattform; 2, Sockel; 3, erster Teil des Rotorarms; 4, zweiter Teil des Rotorarms (Verlängerung); 5, dreieckige Plattform und Sockeldimer; 6, Rotorarm-Dimer; 7, vollständig zusammengesetztes Tetramer. P, Taschen; Tet, Tetramer; Dim1, Dimer aus dreieckiger Plattform und Sockel; Dim2, Dimer des Rotorarms.

a, Beispielhafte mikroskopische Aufnahme. Maßstabsbalken, 50 nm. b, Repräsentative 2D-Klassendurchschnitte. c, Histogramm, das die Orientierungsverteilung der Partikel darstellt. d, Fourier-Shell-Korrelationsdiagramm. e, Sechs verschiedene Ansichten der Elektronendichtekarte.

a, Standardabweichung der Fluoreszenzintensität von Einzelpartikel-TIRF-Videos. Maßstabsbalken, 500 nm. Die Bilder zeigen die Standardabweichung der mittleren Intensität pro Pixel, berechnet über alle Bilder aufgezeichneter TIRF-Videos. b, DNA-PAINT-Bilder, die die Positionen der Rotorarmspitzen (orange) relativ zur dreieckigen Plattform (blau) zeigen. Maßstabsbalken, 500 nm.

a–c, Montage der ersten 76 einzelnen Einzelbilder der in Abb. 2 dargestellten Partikel (linke (a), mittlere (b) und rechte (c) Partikel). Grünes Kästchen, durchschnittliche Intensität des gesamten Videos. Rotes Kästchen, Standardabweichung der mittleren Intensität pro Pixel, berechnet aus dem gesamten Video.

Links: Streudiagramm der Position der Rotorarmspitze unter Verwendung eines Ansatzes mit dem Massenschwerpunkt eines virtuellen Fensters (vwcm). Mitte, freie Energie, berechnet aus der Schwerpunktverfolgung (rot) und aus radialen Pixelintensitäten (blau). Rechts: Durchschnitt der über alle Frames berechneten mittleren Intensität pro Pixel.

Vergrößert beispielhafte Einzelpartikelspuren, die die kumulative Winkelverschiebung der Rotorarmspitzen zeigen, wie in Abb. 3a dargestellt, wobei das Wechselstromfeld während der ersten 10 s ausgeschaltet ist. Die farbigen Spuren sind die gleichen wie in Abb. 3a.

Die AC-Feldachse wurde alle 1,6 s schrittweise in 5°-Schritten gedreht. Gestrichelte Linien zeigen Zeitpunkte an, zu denen die Feldrichtung aktualisiert wurde

Quelldaten

a, Mittlere quadratische Winkelverschiebung experimentell beobachteter und simulierter Motoren. Wir vergleichen experimentelle Daten (grüne Punkte) mit Simulationen, die in einer symmetrischen Landschaft (gelb) und in einer voreingenommenen Landschaft (blau) durchgeführt wurden. Die unvoreingenommene Simulation verhält sich über lange Zeiträume diffusiv. Sowohl die voreingenommenen Simulations- als auch die experimentellen Daten verhalten sich in kurzen Zeiträumen diffusiv, gehen aber in langen Zeiträumen in ballistische Bewegung über. b, Irreversibilitätsanalyse experimentell beobachteter Motorpartikel ohne externes elektrisches Feld. Die Einfärbung der Verteilung gibt das Zeitintervall mit \(T=\frac{1}{f}=0,2\,{\rm{s}}\) an. Anders als in Abb. 4e wurde keine Renormierung angewendet, da ein klarer Trend fehlt.

a, Lasergescanntes Bild eines 1,5 %igen Agarosegels mit 5,5 mM MgCl2, das 165 Minuten lang in einem Wasserbad bei 100 V laufen gelassen wurde und auf dem die folgenden Proben einer Elektrophorese unterzogen wurden: L, 1-kb-Leiter; 1, dreieckige Plattform; 2, Sockel; 3, erster Teil des Rotorarms; 4, zweiter Teil des Rotorarms (Verlängerung); 5, dreieckige Plattform und Sockeldimer; 6, Rotorarm-Dimer; 7, vollständig zusammengesetztes Tetramer. P, Taschen; Tet, Tetramer; Dim1, Dimer aus dreieckiger Plattform und Sockel; Dim2, Dimer des Rotorarms. b, Beispielhafte Negativfärbungs-TEM-Bilder der gesamten Motorbaugruppe mit angebrachtem Rotorarm, aufgenommen mit einem Philips CM100-Mikroskop. Maßstabsbalken, 100 nm.

Diese Datei enthält die ergänzenden Abbildungen 1–4, die unbeschnittenen Gelscans, die unbeschnittenen TEM-Aufnahmen, die für den Sockel verwendete benutzerdefinierte Gerüstsequenz und die ergänzenden Tabellen 1–5.

Beispielhafte Einzelmotor-Partikelflugbahn, Wechselstromfeld zuerst aus, dann an (blaue Kurve, Abb. 3a). Links, Rohvideo eines beispielhaften Einzelpartikels. Das gelbe Kreuz zeigt die verfolgte Position der Rotorarmspitze an. Das Teilchen rotiert effektiv im Uhrzeigersinn, wenn das Wechselfeld eingeschaltet wird. Rechts, kumulative Winkelverschiebung der Rotorspitze. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 10.082; (Echte) Videozeit: 40,328 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Beispielhafte Flugbahn eines einzelnen Motors, Wechselstromfeld zuerst aus, dann an (orangefarbene Kurve, Abb. 3a). Links, Rohvideo eines beispielhaften Einzelpartikels. Das gelbe Kreuz zeigt die verfolgte Position der Rotorarmspitze an. Beim Einschalten des Wechselstromfeldes rotiert das Teilchen effektiv im Uhrzeigersinn. Rechts, kumulative Winkelverschiebung der Rotorspitze. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 13.538; (Echte) Videozeit: 54,152 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Beispielhafte Einzelmotor-Partikelflugbahn, gesehen während der schrittweisen Drehung der Wechselstromfeldachse (schwarze Kurve, Abb. 3c). Links, Rohvideo eines beispielhaften Einzelpartikels. Das gelbe Kreuz zeigt die verfolgte Position der Rotorarmspitze an. Die Winkelgeschwindigkeit des Partikels hängt von der Richtung der Wechselfeldachse relativ zum Motorkörper ab. Die AC-Feldachse wurde in 5°-Schritten von 0° auf 180° gedreht. Rechts, kumulative Winkelverschiebung. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 16.000; (Echte) Videozeit: 64 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Beispielhafte Einzelmotor-Partikelflugbahn, gesehen während der schrittweisen Drehung der Wechselstromfeldachse (blaue Kurve, Abb. 3c). Links, Rohvideo eines beispielhaften Einzelpartikels. Das gelbe Kreuz zeigt die verfolgte Position der Rotorarmspitze an. Die Winkelgeschwindigkeit des Partikels hängt von der Richtung der Wechselfeldachse relativ zum Motorkörper ab. Die AC-Feldachse wurde in 5°-Schritten von 0° auf 180° gedreht. Rechts, kumulative Winkelverschiebung. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 16.000; (Echte) Videozeit: 64 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Beispielhafte Flugbahn eines einzelnen Motorteilchens, beobachtet während des Wechselstromfrequenzdurchlaufs (schwarze Kurve, Abb. 3e). Links, Rohvideo eines beispielhaften Einzelpartikels. Das gelbe Kreuz zeigt die verfolgte Position der Rotorarmspitze an. Die Wechselstromfrequenz wurde schrittweise reduziert (100 Hz, 10 Hz, 5 Hz, 1 Hz). Rechts, kumulative Winkelverschiebung. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 16.000; (Echte) Videozeit: 64 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Beispielhafte Flugbahn eines einzelnen Motorteilchens, beobachtet während des Wechselstromfrequenzdurchlaufs (blaue Kurve, Abb. 3e). Links, Rohvideo eines beispielhaften Einzelpartikels. Das gelbe Kreuz zeigt die verfolgte Position der Rotorarmspitze an. Die Wechselstromfrequenz wurde schrittweise reduziert (100 Hz, 10 Hz, 5 Hz, 1 Hz). Rechts, kumulative Winkelverschiebung. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 16.000 (real); Videozeit: 64 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Beispielhafte Partikelflugbahn eines einzelnen Motors, beobachtet während des Wechselspannungsdurchlaufs (schwarze Kurve, Abb. 3f). Links, Rohvideo eines beispielhaften Einzelpartikels. Das gelbe Kreuz zeigt die verfolgte Position der Rotorarmspitze an. Die Wechselspannung wurde schrittweise von 0 V auf 60 V erhöht und dann wieder abgeschaltet. Rechts, kumulative Winkelverschiebung. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 12.000; (Echte) Videozeit: 48 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Beispielhafte Partikelflugbahn eines einzelnen Motors, beobachtet während des Wechselspannungsdurchlaufs (blaue Kurve, Abb. 3f). Links, Rohvideo eines beispielhaften Einzelpartikels. Das gelbe Kreuz zeigt die verfolgte Position der Rotorarmspitze an. Die Wechselspannung wurde schrittweise von 0 V auf 60 V erhöht und dann wieder abgeschaltet. Rechts, kumulative Winkelverschiebung. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 12.000; (Echte) Videozeit: 48 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Darstellung des erwarteten Motorverhaltens als Funktion der Ausrichtung der Wechselfeldachse. Links: oben, angenommenes Profil der freien Energie eines idealisierten Motors mit zwei Energieminima; Mitte: der energetische Beitrag des externen Wechselstromfeldes; unten, effektives Profil der freien Energie (in Polarkoordinaten aufgetragen). Die grüne Linie gibt die Ausrichtung des Rotorarms an. Mittlere Profile der freien Energie, aufgezeichnet für kartesische Koordinaten. Der grüne Punkt gibt die Ausrichtung des Rotorarms an. Rechts, kumulative Winkelverschiebung, gesehen während einer Langevin-Simulation. In dieser Simulation wurde die AC-Feldachse für eine feste Anzahl von Bildern stationär gehalten und die Partikeldynamik aufgezeichnet; Anschließend wurde die AC-Feldachse auf eine andere Ausrichtung aktualisiert, wie durch die Pfeile angezeigt.

Darstellung des erwarteten Motorverhaltens als Funktion der Wechselfeldfrequenz. Links: oben, angenommenes Freie-Energie-Profil eines idealisierten Motors mit zwei Energieminima; Mitte: der energetische Beitrag des externen Wechselstromfeldes; unten, effektives Profil der freien Energie (in Polarkoordinaten aufgetragen). Die grüne Linie gibt die Ausrichtung des Rotorarms an. Mittlere Profile der freien Energie, aufgezeichnet für kartesische Koordinaten. Der grüne Punkt gibt die Ausrichtung des Rotorarms an. Rechts, kumulative Winkelverschiebung, gesehen während einer Langevin-Simulation. In dieser Simulation wurde die Wechselstromfeldfrequenz für eine feste Anzahl von Bildern stationär gehalten und die Partikeldynamik aufgezeichnet; dann wurde die Wechselfeldfrequenz um den angegebenen Wechselfeldfrequenzfaktor erhöht.

Darstellung des erwarteten Motorverhaltens als Funktion der Wechselstromfeldamplitude. Links: oben, angenommenes Freie-Energie-Profil eines idealisierten Motors mit zwei Energieminima; Mitte: der energetische Beitrag des externen Wechselstromfeldes; unten, effektives Profil der freien Energie (in Polarkoordinaten aufgetragen). Die grüne Linie gibt die Ausrichtung des Rotorarms an. Mittlere Profile der freien Energie, aufgezeichnet für kartesische Koordinaten. Der grüne Punkt gibt die Ausrichtung des Rotorarms an. Rechts, kumulative Winkelverschiebung, gesehen während einer Langevin-Simulation. In dieser Simulation wurde die Wechselstromfeldamplitude für eine feste Anzahl von Bildern stationär gehalten und die Partikeldynamik aufgezeichnet; dann wurde die Wechselfeldamplitude um den angegebenen Wechselfeldstärkefaktor erhöht.

Beispielhafte Einzelmotor-Partikelflugbahn mit einer Torsionsfeder während eines Wickelzyklus (Kurve unten links, Abb. 4g). Links, Rohvideo eines beispielhaften Rotors mit Torsionsfeder während eines Zyklus des Aufwickelns (Wechselstromfeld an) und Abwickelns (Wechselstromfeld aus) mit überlagerter Nachführungsposition des Rotorarms (gelbes Kreuz). Rechts, entsprechende kumulative Winkelverschiebung. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 14.000; (Echte) Videozeit: 56 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Beispielhafte Einzelmotor-Partikelflugbahn mit einer Torsionsfeder während zwei Wickelzyklen (oben rechts, Abb. 4g). Links, Rohvideo eines beispielhaften Rotors mit Torsionsfeder während zwei Zyklen des Aufwickelns (Wechselstromfeld an) und Abwickelns (Wechselstromfeld aus) mit überlagerter Nachführungsposition des Rotorarms (gelbes Kreuz). Rechts, entsprechende kumulative Winkelverschiebung. Das Originalvideo wurde mit 250 Bildern pro Sekunde aufgenommen. Gesamtzahl der gesammelten Frames: 14.000; (Echte) Videozeit: 56 s. Jeder zweite Frame des Originalbildstapels wurde exportiert.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Pumm, AK., Engelen, W., Kopperger, E. et al. Ein DNA-Origami-Ratschenmotor. Natur 607, 492–498 (2022). https://doi.org/10.1038/s41586-022-04910-y

Zitat herunterladen

Eingegangen: 16. September 2021

Angenommen: 25. Mai 2022

Veröffentlicht: 20. Juli 2022

Ausgabedatum: 21. Juli 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-022-04910-y

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Natur (2023)

Naturkommunikation (2023)

Natur-Nanotechnologie (2023)

NPG Asia Materials (2023)

Natur-Nanotechnologie (2023)

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.