由日本信息通信研究机构（NICT）未来ICT研究所的研究员指宿良太与主任研究员古田健也等人组成的研究团队宣布，与兵库县立大学共同开发出了可以按照程序在DNA纳米管轨道上移动的新型生物纳米机器，实现了新的分子运输系统。这是基于天然生物分子马达的纳米机器，这种纳米机器能读取通过DNA碱基序列编写在由多个DNA双螺旋集束在一起形成的DNA纳米管轨道上的命令，并按照命令沿轨道自行移动。另外，研究团队还开发出了读取不同指令的多台纳米机器，实现了通过在轨道上编写并嵌入“向右前进”或“向左前进”等指令，可以按照程序对纳米级“货物（分子）”进行分类的分子运输系统。相关成果已经发表在美国综合科学期刊《Science》的3月11日号上。
图：两种纳米机器在Y字型DNA纳米管上对“货物”进行分类的模式图（供图：信息通信研究机构（NICT））
生物系统通过不断消耗能量并选择性地将所需分子运送到所需位置来维持生命活动。驱动该系统的是作为生物纳米机器之一的肌球蛋白、驱动蛋白和动力蛋白等生物分子马达。
这些生物分子马达将生命活动所需的各种分子作为货物，将细胞内部的细胞骨架纤维（微管和肌动蛋白纤维）作为轨道，通过在上面进行运输来选择性地运送货物。
因此，如果能以可控的方式从细胞中取出这种分子马达系统加以利用，就有望实现由生物分子构成的计算机，以及在体内工作的分子机器人等划时代的应用。
然而，此前的生物分子马达由于难以人为控制作为轨道的细胞骨架纤维，一直未实现实用化。为了解决这个问题，需要将分子马达的轨道换成更容易控制的轨道。
因此，研究团队此次利用DNA作为轨道取代了由蛋白质构成的细胞骨架纤维，实现了新的分子运输系统。首先，通过在作为生物分子马达的动力蛋白上连接DNA结合蛋白，开发出了与DNA结合并自行移动的纳米机器。
然后，研究团队确立了让纳米机器读取玻璃基板上铺设的轨道上的DNA碱基序列编写的指令，并按照组合这些指令创建的程序（运动方向、速度等）自行移动的控制技术。
利用该技术，成功构建了可以像高速公路出入口一样在Y字型DNA纳米管上自动分拣多种纳米级“货物”，或者将这些分散的“货物”集中到一处的新型分子运输系统。
生物信息处理系统具有可以高速处理大量组合，以及比电子设备节能等优异特点。实现这些特点的就是生物分子马达等纳米机器。但由于生物体中由大量纳米机器构成的信息处理系统非常复杂，一直没有明确相关原理。
为了明确该原理，利用生物纳米机器试着制作同样的装置等建设性的方法比较有效。此次的研发成果可以说为这种方法开辟了道路。
研究团队就此次的成果期待地表示：“通过以生物分子马达为基础设计可控纳米机器，可以构建并了解生物的信息处理系统。将来有望为模拟生物的新一代信息处理系统研究带来突破。”
【论文信息】
发表期刊: Science 2022年3月11日号
DOI: 10.1126/science.abj5170
URL: doi.org/10.1126/science.abj5170
发表论文名称: Programmable molecular transport achieved by engineering protein motors to move on DNA nanotubes
原文：《科学新闻》
翻译编辑：JST客观日本编辑部
