Forskare har lyckats imitera livets egen motor

Det är ett internationellt forskarlag under ledning av Lunds universitet och University of New South Wales som skapat en konstgjord proteinmotor som kan styras att ta riktade steg längs en DNA-bana – något som länge varit ett mål inom syntetisk biologi.

Naturens proteinmotorer utför några av livets mest avancerade mekaniska uppgifter i kroppen. Att förstå och återskapa hur dessa biologiska motorer uppnår sin imponerande prestanda har därför länge stått högt på forskningsagendan.

Nu visar forskarnas resultat, som publicerats i Nature Nanotechnology, att det är möjligt att bygga artificiella proteinmotorer med samma byggmaterial som de biologiska.

– Precis som ångmaskinen utgör grunden för dagens motorer, så kan detta genombrott bli startpunkten för att på djupet förstå biologins motorer, säger Heiner Linke, professor i nanofysik vid Lunds Tekniska Högskola och ansvarig för studien.

En molekylär promenad på DNA

Proteinmotorn, som fått namnet Tumbleweed, förflyttar sig genom att växla mellan tre ”fötter” som binder till specifika DNA-sekvenser. När forskarna gör förändringar i den omgivande kemiska miljön kan de styra både när motorn tar ett steg och i vilken riktning den rör sig.

– Med Tumbleweed ökar vi förståelsen av grundprinciperna för hur de biologiska proteinmotorerna fungerar och hur vi framöver ytterligare kan närma oss naturens egen prestanda, säger Heiner Linke.

Tumbleweed står med två av sina tre fötter bundna till en DNA-sträng, där varje fot binder till en särskild DNA-sekvens. Genom att lägga till eller ta bort molekyler som styr vilka fötter som kan binda, kan proteinmotorn ledas på en promenad längs DNA-strängen. Illustration: Forskargruppens material

Naturens proteinmotorer utför några av livets mest avancerade mekaniska uppgifter. Heiner Linke förklarar att exempelvis motorproteinet myosin gör om kemisk energi till muskelkraft och har en viktig roll inom celldelning, och motorproteinet kinesin transporterar signalämnen inom cellerna.

– Proteiner är betydligt mer komplexa än andra molekylära byggstenar och erbjuder därför långt större möjligheter. Men på grund av sin komplexitet är de också en större utmaning att arbeta med, säger han.

Från att lära sig gå till att springa maratonlopp

Förmågan att designa helt nya proteiner har utvecklats mycket snabbt de senaste åren, men fokus har varit på enstaka, statiska strukturer. Med Tumbleweed visar forskarna att det går att skapa dynamiska, rörliga strukturer som kan styras utifrån.

Tumbleweed är ett startsteg för forskarna – nästa mål är att ta fram artificiella proteiner som inte behöver styras utifrån utan som kan ”gå själva” med hjälp av det kemiska bränslet.

Heiner Linke gör en jämförelse med när ett barn lär sig att gå:

– Just nu har vi en ettåring som kan ta några steg med hjälp av en stöttande hand. Nästa nivå är att kunna gå själv. Sedan kan vi börja tänka på friidrott, maratonlopp och OS.

Forskningsfältet belönades med nobelpris 2016 och 2024

Nobelpriset i kemi 2016 gick till forskare som utvecklat molekylära maskiner och motorer, det vill säga motorer som består av molekyler som omvandlar energi från ljus eller bränsle till rörelse. Förebilden för dessa motorer finns inom cellbiologin där molekylmotorer behövs för livsviktiga processer.

Heiner Linke förklarar:

– Med tanke på att biologiska motorer är rörliga molekyler som utsätts för stora slumpartade rörelser från andra molekyler i omgivningen, är det häpnadsväckande hur precist och energisnålt de arbetar.

Hur detta ens är möjligt sökte forskarna svar på i samband med nobelpriset 2016. 

– Nobelpristagarna använde sig av små syntetiska molekyler, andra forskare har framgångsrikt använt sig av DNA. Proteiner är svårare att jobba med, men har större potential att skalas upp och förfinas. Dessutom gissar vi att det finns en anledning till att evolutionen valde just proteiner som huvudbyggstenen för liv, säger Heiner Linke.

År 2024 kom nästa stora steg när Nobelpriset gick till forskare som med hjälp av datorer och AI lärde sig att förutsäga och designa helt nya proteiner.

– Dessa nya proteiner är för det mesta designade för att ha en enda, väl bestämd struktur och uppgift. Att skapa dynamiska proteiner som kan utföra rörelser ses som nästa stora utmaning, säger Heiner Linke.