Der erste synthetische Proteinmotor bewegt sich in kontrollierten, programmierbaren Schritten entlang der DNA

Eine bahnbrechende Errungenschaft in der synthetischen Biologie ist die Schaffung des ersten künstlichen Proteinmotors, der in der Lage ist, sich in kontrollierten, programmierbaren Schritten entlang der DNA zu bewegen. Forscher von UNSW Sydney haben ein Protein namens Tumbleweed entwickelt, das natürliche molekulare Motoren nachbildet, die in lebenden Organismen gefunden werden. Dieser Proteinmotor ist so konzipiert, dass er sich entlang konstruierter DNA-Spuren bewegt, indem er eine Reihe von drei Bindungsstellen verwendet, die als "Füße" bezeichnet werden, die an spezifischen DNA-Sequenzen befestigt sind. Die Bewegung von Tumbleweed wird durch Veränderung der chemischen Umgebung, die sie umgibt, reguliert, wodurch Wissenschaftler sowohl den Zeitpunkt als auch die Richtung ihrer Bewegung bestimmen können.

Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht und markieren einen bedeutenden Meilenstein auf dem Gebiet der synthetischen Biologie und der Nanotechnologie. Laut Professor Paul Curmi von der UNSW ist die Leistung das Ergebnis von über zwei Jahrzehnten gemeinsamer Forschung, an der Teams aus nationalen und internationalen Institutionen beteiligt waren. Er betonte, dass die Fähigkeit, neue Verhaltensweisen in Proteine zu konstruieren, indem bestehende biologische Komponenten kombiniert werden, aufregende Möglichkeiten für das Verständnis und die Manipulation molekularer Maschinen eröffnet.

In der Natur spielen molekulare Motoren wie Kinesin, Dynein und Myosin eine entscheidende Rolle beim Transport zellulärer Ladung, bei der Ermöglichung von Muskelkontraktionen und bei der Ausführung anderer lebenswichtiger mechanischer Funktionen. Die Herausforderung, künstliche Motorproteine von Grund auf zu bauen, ist seit langem ein Schwerpunkt der wissenschaftlichen Forschung, da sie potenzielle Einblicke in die Funktionsweise dieser komplizierten Systeme und ihre möglichen Neugestaltungen für spezialisierte Anwendungen bietet. Tumbleweed wurde aus Proteinmodulen konstruiert, die einzeln keine motorische Funktionalität haben.

Jeder Schritt von Tumbleweed misst etwa 16 Nanometer und erfolgt als Reaktion auf externe chemische Signale. Wichtig ist, dass die Bewegungsrichtung nur durch Anpassung der Sequenz dieser Signale umgekehrt werden kann, wodurch das mit dieser Technologie erreichbare Kontrollniveau gezeigt wird. Diese Entwicklung bereitet die Bühne für weitere Erforschungen der Mechanismen, die molekulare Motoren steuern, und ebnet den Weg für die Entwicklung synthetischer Versionen, die auf bestimmte Aufgaben zugeschnitten sind. Durch den Bau von Tumbleweed wollen die Forscher die grundlegenden Prinzipien nanoskaliger Proteinmotoren aufdecken und die mit ihrem Design verbundenen Kompromisse verstehen.

Derzeit konzentriert sich das Team auf die Verfeinerung der Fähigkeiten von Tumbleweed, mit dem Ziel, seine Fahrstrecke über die aktuelle Grenze von etwa 100 Nanometern zu erweitern und seine Geschwindigkeit von der aktuellen Rate von etwa 1 Nanometer pro Sekunde zu erhöhen.

Diese Innovationen könnten zu Fortschritten in Bereichen wie der massiv parallelen Biokomputation führen, die verspricht, energieeffizienter, nachhaltiger und skalierbarer zu sein als die derzeitigen Technologien. Während sich das Feld weiter entwickelt, bleiben die potenziellen Anwendungen solcher synthetischen Motoren weitgehend unerforscht, was eine neue Ära in der Manipulation molekularer Prozesse im Nanoskala einläutet.