他們所取得的成就好比我們在地球上觀看月球上的一場足球比賽。

該團隊與哈佛醫(yī)學院和Wyss研究所的尹鵬教授以及他的研究生Mingjie Dai合作，將DNA折紙與高精度單分子跟蹤技術結合，從而創(chuàng)造了一種被稱為“基于DNA折紙-水平旋翼的成像追蹤（origami-rotor-based imaging and tracking，ORBIT）”的新技術，以觀察運動中的分子機器。

ORBIT系統：熒光標記DNA折紙水平旋翼，記錄和放大粘附于載玻片上的分子馬達引發(fā)的DNA旋轉

在我們體內，有一些分子馬達直接穿過肌肉細胞，使肌肉收縮。另一些負責修復、復制或轉錄DNA：這些與DNA相互作用的馬達抓住雙鏈螺旋，然后從一個堿基爬向另一個堿基，就像走樓梯一樣。

為了看到這些細微的運動，研究小組想到了利用扭轉運動：首先，他們把與DNA相互作用的馬達粘在一個剛性支架上，馬達必須轉動杠桿才能從一個堿基移動到另一個。因此，只要測量杠桿是如何旋轉的，就能測量馬達的移動。

但是，仍然有一個障礙：馬達每次跨越1個堿基對，旋轉使DNA移動1納米，如此精度的距離測量即使最先進的光學顯微鏡也無法很好的觀測。

于是研究人員想到了直升機的螺旋槳。如果他們能造出一架DNA螺旋槳，看到擺動的旋翼槳葉，就可以用攝像機捕捉到分子馬達引發(fā)的DNA旋轉（如上圖）。

為了制造這種小螺旋槳，莊小威團隊決定使用DNA折紙。

自從DNA折紙技術被建立以來，已經有報道展示過它們在創(chuàng)造藝術品、細胞藥物呈遞和研究免疫系統等方面的應用。簡單來說，DNA折紙就是操縱DNA鏈，使其超越其傳統的雙螺旋結構，合成美麗而復雜的其他性狀。

為了建造DNA折紙螺旋槳，研究小組向DNA折紙技術先驅，尹鵬教授求助。尹教授和他的研究生將大約200個DNA片段編織成了160納米長的螺旋槳樣結構。然后，他們將該螺旋槳接到一個典型的DNA雙螺旋上，另一端與名為“RecBCD”的解壓DNA的分子馬達銜接。當馬達開始工作時，它將旋轉DNA，像螺旋槳助推器一樣扭動螺旋槳旋翼。

“過去從來沒有人看到過分子馬達蛋白旋轉DNA，因為它的移動速度非常非?？欤盞osuri說。

馬達能在不到1秒的時間內穿過數百個堿基。有了折紙螺旋槳和每秒1000幀的高速攝像機，研究小組激動地記錄下了分子馬達的快速旋轉運動。

“人體內有太多關鍵過程都涉及到蛋白質和DNA的相互作用，”Altheimer說。理解這些蛋白質是如何工作的（或不能工作的）可以回答許多有關人類健康和疾病的基本生物學問題。

接下來，研究小組開始探索其他類型的分子馬達。例如，RNA聚合酶。研究小組根據之前的研究推測它可能以35度步幅旋轉DNA。新技術直觀地證明了猜想的正確性：“我們第一次看到了DNA轉錄過程中的單堿基對旋轉，”Kosuri說。正如預測的那樣，旋轉步幅約為35度。

一張顯微鏡載玻片可以加載數以百萬臺自組裝DNA螺旋槳，意味著研究小組可以使用一臺顯微鏡和照相機同時研究數百甚至數千個分子馬達，如此就可以比較各個馬達的工作方式。

“沒有兩種酶是完全相同的，這里就像一個動物園，”Kosuri說。

一種馬達蛋白可能會向前跳躍，另一種則會暫時向后爬，另一個可能在某個堿基上停留更長的時間。科學家們現在還不知道它們?yōu)槭裁磿@樣運動，有了新工具，答案很快就會揭曉。

ORBIT還可以激發(fā)以生物能源為動力（如ATP）的新型納米技術?！斑@是一種混合納米機器，既包括人工設計好的組件，也包括天然的生物馬達，”Kosuri說。“總有一天，這種混合技術可以變成生物啟發(fā)機器人的基本語言?！?/p>

原文檢索：Rotation tracking of genome-processing enzymes using DNA origami rotors

來源：生物通