8月23日消息，日本东京科研大学计算机科学系滨田翔吾副教授与京都大学角合彰教授领衔的国际团队在《Small》期刊发表研究，开发出一套由两类生物分子纳米机器协同驱动的DNA网络材料动态组装系统，实现了类似生命系统远离热平衡的自组织材料构建。合作者包括北海道大学Farhana Afroze博士、东京科研大学Richard Archer博士及台湾中研院物理研究所平岩哲也教授。

在生命体系中，酶和分子马达等生物纳米机器消耗化学能来合成和组织复杂材料，多台纳米机器以顺序接力、消耗能量的步骤协同构建有序结构，是活细胞维持高度有序状态的基础。然而用人工手段复现这种自下而上的化学与机械组装一直极为困难：虽有基于蛋白质的分子马达可提供主动运输以突破扩散限制，但让多台纳米机器分步协作、逐一交接成果，此前鲜有实现。

研究团队设计了两步流程。第一步，DNA聚合酶通过滚动环扩增反应，在附着于微管表面的DNA模板上生长出长链DNA；第二步，固定在基底上的驱动蛋白马达消耗三磷酸腺苷，推动携带DNA的微管在表面滑行。当滑行的微管相互碰撞时，其携带的DNA链接触并连接；随着微管继续运动，相连的DNA被机械拉伸，逐渐形成纤维状互连网络。简言之，聚合酶负责生产分子材料，ATP马达负责装配成型。

对照实验证实马达活性不可或缺：当体系中缺乏驱动蛋白或ATP耗尽时，DNA网络完全无法形成，因为马达依赖ATP才能运作。团队还确定了控制网络形成的条件——提高微管密度和延长DNA合成时间，可获得连接度更高、结构更复杂的网络。模拟研究进一步支持实验结论：无主动力时模拟链折叠成紧密团块，而加入类马达推动后多条链主动舒展并互连，重现了实验观察到的网络结构。

该研究为多个活性生物分子过程协同构建高阶结构提供了框架，也表明主动分子运动是网络形成的关键驱动力。滨田表示，通过将分子合成与机械力产生耦合，团队朝构建 mimic 活系统动态构建策略的合成材料迈出关键一步；这一自下而上框架有望催生可自修复、自维持、自演化的动态可编程类生命材料，并在分子计算和分子机器人领域找到现实应用。 （来源：Phys.org）