DNA纳米粒子马达就像它的名字一样：微小的人造马达利用DNA和RNA的结构，通过酶促RNA降解来推动运动。从本质上讲，化学能通过使布朗运动偏置而转化为机械运动。DNA纳米粒子马达采用“烧桥”布朗棘轮机制。在这种类型的运动中，电机是由它沿着衬底穿过的键（或“桥”）的降解（或“燃烧”）推动的，本质上是使其运动向前偏转。

这些纳米级电机具有高度可编程性，可用于分子计算、诊断和运输。尽管它们很有天赋，但DNA纳米粒子马达的速度不如它们的生物同类——马达蛋白，这就是问题所在。这就是研究人员利用单粒子跟踪实验和基于几何的动力学模拟来分析、优化和重建更快的人工电机的地方。

“天然运动蛋白在生物过程中起着至关重要的作用，其速度为10-1000纳米/秒。“到目前为止，人工分子马达一直在努力接近这些速度，大多数传统设计的速度低于1纳米/秒，”该研究的第一作者兼研究员Takanori Harashima说。

研究人员于2025年1月16日在《Nature Communications》上发表了他们的研究成果，提出了一个解决最紧迫的速度问题的方案：切换瓶颈。

实验和模拟表明，RNase H的结合是整个过程减慢的瓶颈。RNase H是一种参与基因组维持的酶，在马达中的RNA/DNA杂交体中分解RNA。RNase H结合越慢，运动中的停顿时间就越长，这导致整体处理时间变慢。通过增加RNase H的浓度，速度明显提高，暂停时间从70秒减少到0.2秒左右。

然而，提高电机速度是以速度（分离前的步数）和运行长度（分离前电机运行的距离）为代价的。研究人员发现，更大的DNA/RNA杂交率可以改善速度和处理能力/运行长度之间的权衡，使模拟性能更接近运动蛋白的性能。

该马达采用了重新设计的DNA/RNA序列，杂交率提高了3.8倍，速度为30 nm/s，处理速率为200，运行长度为3 μm。这些结果表明，DNA纳米粒子马达在性能上可以与马达蛋白相媲美。

Harashima说：“最终，我们的目标是开发出性能超过天然运动蛋白的人工分子马达。”这些人造马达在基于马达运动的分子计算中非常有用，更不用说它们在诊断感染或疾病相关分子方面具有高灵敏度的优点。

本研究的实验和模拟为DNA纳米粒子和相关人工马达的未来以及它们与马达蛋白相匹配的能力以及它们在纳米技术中的应用提供了令人鼓舞的前景。

国立自然科学院分子科学研究所和SOKENDAI高等研究所的Takanori Harashima、Akihiro Otomo和Ryota Iino参与了这项研究。

Rational engineering of DNA-nanoparticle motor with high speed and processivity comparable to motor proteins