Onlarca yıldır araştırmacılar biyolojik makineleri incelemek için çalışmalar yaptı. Her mekanik hareket; (kas kasılmasından DNA kopyalanmasına kadar) tespit edilemeyen adımlara yakın olan moleküler motorlara dayanır. Hareketlerini görmeye çalışmak, futbol maçını başından beri izlemeye çalışmak gibi… DNA origami helikopterleriyle araştırmacılar, bir DNA baz çiftinden diğerine geçerken moleküler motorun ilk kaydedilen spin adımlarını yakaladılar.
Her yıl robotlar gittikçe daha fazla insanlaşıyor. Araştırmacılar; canlıların nasıl hareket ettiği hakkında ne kadar çok şey keşfederse, o kadar çok makine, onları en küçük moleküllerine kadar taklit edebiliyor.
Wyss Enstitüsü ve Harvard Tıp Okulu’nda Profesör Peng Yin ve Yüksek Lisans Öğrencisi Mingjie Dai; DNA origamisini yüksek hassasiyetli tek molekül izleme ile birleştirerek, hareket halindeki moleküler makinelere bakmak için ORBIT (origami-rotor tabanlı görüntüleme ve izleme) adında yeni bir teknik yarattı.
Vücudumuzda, bazı moleküler motorlar düz kas hücrelerinde yürüyerek büzüşmelerine neden olur. Diğerleri DNA’yı onarır, çoğaltır veya kopyalar: Bu DNA-etkileşimli motorlar; çift sarmallı bir helezona tutulabilir ve bir spiral merdivende yürümek gibi bir tabandan diğerine tırmanabilir.
Bu mini makineleri hareket halinde görmek için ekip; kıvrılma hareketinden yararlanmak istedi: İlk önce, DNA etkileşimli motoru sert bir desteğe yapıştırdılar. Sabitlendikten sonra, motor; bir tabandan diğerine geçmek için helezonu döndürmek zorunda kaldı. Böylece; sarmalın nasıl döndüğünü ölçebilirlerse, motorun nasıl hareket ettiğini belirleyebilirler.
Fakat yine de araştırmacılar için bir problem vardı: Bir motor, bir baz çiftinde her hareket ettiğinde, rotasyon DNA’yı bir nanometre fraksiyonuyla kaydırır. Bu kaydırma ise; en gelişmiş ışık mikroskoplarıyla bile çözülemeyecek kadar küçük.
Helikopter pervaneleri şeklinde konumlanan iki kalemin; bu sorunu çözmek için araştırmacıların aklına bir fikir getirdi: Dönen DNA’ya bağlanan bir pervane; helezon ve dolayısıyla moleküler motor ile aynı hızda hareket ederdi. Sallanan rotor kanatlarının görselleştirilmesine izin verecek kadar büyük bir DNA helikopteri inşa edebilselerdi motorun kameradaki zorlu hareketini yakalayabilirlerdi.
Molekül büyüklüğündeki pervaneleri inşa etmek için Kosuri, Altheimer ve Zhuang; DNA origami kullanmaya karar verdi. Sanat yapmak, hücrelere ilaç vermek, bağışıklık sistemini incelemek ve daha fazlası için kullanılan DNA origami; geleneksel çift sarmalın dışındaki güzel, karmaşık şekillere bağlanmak için telleri manipüle etmeyi içerir.
Kosuri: “İki tamamlayıcı DNA dizisi varsa, bunlar ayrılırlar. Ancak, bir iplikçik; farklı bir sarmaldaki bir iplikçiyi tamamlayacak şekilde değiştirilirse, birbirlerini bulabilir ve bunun yerine yeni yapılar örülerek kapatılabilirler.”
Origami pervanelerini inşa etmek için ekip; origami teknolojisinin öncüsü Peng Yin’le çalıştı. Yin ve ekip; yaklaşık 200 bireysel DNA parçacığını, uzunluğu 160 nanometre olan pervane benzeri bir şekle soktu. Daha sonra, pervaneleri normal bir çift helezona bağladılar ve diğer ucunu DNA’yı çözen moleküler bir motor olan RecBCD’ye verdiler. Motor çalışmaya başladığında, pervaneyi bir tirbuşon gibi çevirerek DNA’yı döndürdüler.
Motor bir saniyeden daha kısa sürede yüzlerce baz arasında hareket edebilir. Ancak, origami pervaneleri ve saniyede bin kare hızında çalışan yüksek hızlı bir kameralarla, ekip; nihayet motorun hızlı dönme hareketlerini kaydedebildi.
Altheimer: “Vücuttaki pek çok kritik süreç; proteinler ve DNA arasındaki etkileşimi içerir. Bu proteinlerin nasıl çalıştığını (işe yarayıp, yaramadığını) anlamak; insan sağlığı ve hastalıklarıyla ilgili temel biyolojik soruları cevaplamaya yardımcı olabilir.“
Ekip, diğer DNA motor türlerini keşfetmeye başladı. Bir, RNA polimeraz; genetik kodu RNA’ya okumak ve kopyalamak için DNA boyunca hareket eder. Daha önce yapılan araştırmalardan esinlenen ekip; bu motorun DNA’yı, iki komşu nükleotit tabanı arasındaki açıya karşılık gelen 35 derecelik adımlarda döndürebileceği teorisini verdi.
Milyonlarca kendinden montajlı DNA pervanesi; tek bir mikroskop lamına sığabilir. Bu da ekibin, bir mikroskoba bağlı tek bir kamerayı kullanarak, yüzlerce hatta binlerce kişinin aynı anda çalıştırabileceği anlamına gelir. Bu şekilde; bireysel motorların işlerini nasıl yaptıklarını karşılaştırabilir ve kontrast oluşturabilirler.
ORBIT ayrıca ATP gibi biyolojik enerji kaynaklarıyla güçlendirilmiş yeni nanoteknoloji tasarımlarına ilham verebilir.
Kosuri: “Yaptığımız, hem tasarlanmış bileşenleri hem de doğal biyolojik motorları kullanan hibrit bir nanomakinedir. Bir gün, böyle bir hibrit teknoloji biyolojik olarak esinlenen robotlar için gerçek temel olabilir.”