每年，机器人变得越来越像生命。太阳能供电的蜜蜂在柔软的翅膀上飞行，人形机器人坚持后空翻，足球机器人团队计划如何运球，传球和得分。此外，研究人员发现生物如何运动的越多，机器就可以模仿它们的最小分子。

“我们的身体已经有了这些神奇的机器，结果非常好，”帕拉夫科苏里说。“我们根本不知道它们到底是如何工作的。”

几十年来，研究人员一直在研究生物机器如何为生物提供动力。每一个机械运动——从收缩肌肉到复制DNA——都依赖于分子马达，这需要微小的、几乎察觉不到的步骤。

试图看到它们移动就像试图在月球上观看足球比赛一样。

现在，在最近发表在《自然》杂志上的一项研究中，包括哈佛大学的David B. Arnold教授和霍华德休斯医学研究所的研究员，以及庄实验室的博士后学者Pallav Kosuri和Benjamin Altheimer D博士。艺术与科学研究生院的学生捕捉到了分子马达从一个DNA碱基对移动到另一个碱基对时的第一个记录旋转步骤。

该团队与Wyss研究所和哈佛医学院的教授尹鹏和研究生戴明杰(Mingjie Dai)合作，将DNA折纸与高精度单分子跟踪相结合，创造了一种新技术，称为ORBIT-origami-rotor，可以对运动中的分子机器进行成像和跟踪观察。

在我们的身体中，一些分子马达直接穿过肌肉细胞，导致它们收缩。修复、复制或转录其他DNA:这些DNA相互作用的马达可以抓住双链螺旋，从一个碱基爬到另一个碱基，就像走螺旋楼梯一样。

分子移动RNA聚合酶围绕DNA旋转，从一个碱基对转移到另一个碱基对。图片来源：Pallav Kosuri/庄实验室/哈佛大学

为了看到这些迷你机器的运动，该团队希望利用扭转运动：首先，他们将DNA相互作用的马达结合到一个刚性支撑上。一旦固定，马达必须旋转螺旋从一个基地到另一个。因此，如果他们能够测量螺杆旋转的方式，他们就能够确定电机的运动方式。

但仍有一个问题：电机每移动一个碱基对，旋转就会将DNA移动几分之一纳米。这种转换太小，即使是最先进的光学显微镜也无法解决。

两只躺在直升机螺旋桨形状的笔，引出了解决这个问题的想法：固定在旋转的DNA上的螺旋桨会和螺杆以同样的速度运动，所以它也是一个分子马达。如果他们可以建造一架DNA直升机，只要它足够大，可以让摆动的旋翼叶片可视化，他们就可以在相机上捕捉到马达难以捉摸的运动。

为了制造分子大小的螺旋桨，Kosuri、Altheimer和庄决定使用DNA折纸技术。用于创造艺术，向细胞输送药物，研究免疫系统等。DNA折纸涉及操纵链，在传统的双螺旋之外组合美丽而复杂的形状。

“如果你有两条互补的DNA链，它们就会拉上拉链，”Kosuri说。“他们就是干这个的。”但是，如果改变一条链来补充不同螺旋中的链，它们可以相互找到并拉上拉链，编织出新的结构。

为了制造他们的折纸推进器，团队求助于折纸技术的先驱尹鹏。在尹和他的研究生戴的指导下，该团队将近200个个体DNA片段编织成长度为160纳米的螺旋桨形状。然后，他们将推进器连接到常规的双螺旋上，并将另一端连接到RecBCD上，rec BCD是一种用于解压DNA的分子马达。当马达开始工作时，它会旋转DNA，像螺旋推进器一样扭动螺旋桨。

“没有人看到这种蛋白质实际上是旋转DNA，因为它移动得非常快，”Kosuri说。

马达可以在不到一秒的时间内移动数百个碱基。然而，随着折纸推进器和高速摄像机以每秒1000帧的速度运行，团队终于可以记录下电机的快速旋转运动。

“身体中的许多关键过程都涉及蛋白质和DNA之间的相互作用，”Altheimer说。了解这些蛋白质如何工作或失败可以帮助回答关于人类健康和疾病的基本生物学问题。

该团队开始探索其他类型的DNA马达。一种是RNA聚合酶，它沿着DNA移动，读取遗传密码并将其转录为RNA。受之前研究的启发，该团队推测马达可能会以35度的步长旋转DNA，对应于两个相邻核苷酸碱基之间的角度。

奥比特证明了他们是对的：“我们第一次可以看到单个基因对的旋转是DNA转录的基础，”科苏里说。正如预测的那样，这些旋转步长约为35度。

数百万个自我组装的DNA推进器可以装进一个显微镜载玻片，这意味着该团队可以使用连接到显微镜的相机同时研究数百甚至数千个推进器。这样，他们可以比较和对比各种电机的工作模式。

“没有两种酶是相同的，”Kosuri说。“这就像一个动物园。”

一个运动蛋白可能会向前跳，另一个运动蛋白会瞬间向后爬。还有一个可能在一个基地待的时间比其他任何基地都长。这个团队仍然不知道他们为什么像他们一样移动。有了轨道，他们很快就能。

轨道还可以刺激由ATP等生物能驱动的新纳米技术的设计。“我们制造的是一种混合纳米机器，它使用了设计组件和天然生物发动机，”Kosuri说。有一天，这种混合技术可能会成为受生物启发的机器人的文字基础。