DNA人工分子马达的普适物理模型与计算机辅助设计

DNA nanomotors are merging with large-scale DNA assembly techniques, potentially leading to a new generation of motorized nanotechnologies bridging from nanometers to micrometers or even macroscale. Developing high-performing motors for these applications remains a challenge due to two major obstacles. One is lack of general physical understanding for advanced molecular motors and the second is insufficient DNA computational tools for whole-motor dynamic simulation. Building from previous studies of the applicant and experimental collaborators, we will construct a generic physical model covering advanced translational DNA motors reported to date, and further develop computer-aided design (CAD) based on the model. This CAD not only supports fast optimization of existing DNA motors, but also can discover new motor mechanisms to guide experiments. The CAD predicts motor performance from mere inputs of nucleotide sequences thanks to DNA machinery’s intrinsic sequence-function correspondence, and may become a long-term tool for downstream technological developments (hence commercial potential for resultant CAD softwares). The generic model, which is based on Cooper-pair-like two-body systems and their symmetry breaking, yields exact solutions for simplified versions, offering a rare physical model for studying high-performing molecular motors up to thermodynamic limits.

DNA人工分子马达领域目前和大规模DNA自组装技术出现快速融合趋势，有望产生由马达内驱动的，横跨纳米、微米乃至宏观尺度的新一代纳米技术。当前面临的挑战是如何发展性能优越的马达体系以满足这些重大技术应用。困难主要来自两方面，一是缺乏高性能分子马达的普遍物理理论，二是现有软件的运算速度仍不能对DNA马达进行全体系全过程模拟。本项目拟在前期研究基础上建立一个普适物理模型，涵盖迄今报道的先进DNA马达实验体系，并以该模型为概念框架，发展高效快速的计算机辅助设计（CAD）方法和软件包。这种基于普适物理模型的CAD不仅可以快速改进已有实验体系，而且可能发现新的马达机理，引导实验研究。拟发展的普适模型以类似库珀对的两体体系及其对称性破缺为概念基础，将为研究高性能双足分子马达及其热力学极限提供一个难得的通用物理模型。拟发展的CAD只需输入DNA序列就能预测马达性能，可以长期支持DNA马达的应用技术研发。

DNA人工分子马达领域目前和大规模DNA自组装技术出现快速融合的趋势，有望产生由马达内驱动的，横跨纳米、微米乃至宏观尺度的新一代纳米技术。研发高性能人工分子马达面临的主要困难是缺少高性能马达的普遍物理理论、以及无法对马达全体系进行全过程模拟。在项目的支持下，课题组开展了多项工作。（1）构建了一个DNA人工分子马达的通用物理模型，涵盖迄今文献报道的先进DNA马达实验体系，并以该模型为概念框架，开发了马达全体系全过程的高效高速模拟程序。结果显示，方法可以对马达全过程的运动状态、自由能、熵、能量耗散进行准确计算，完全可以用于设计人工马达、以及研究马达机理。通过该模拟方法发现，现有设计方法对马达的熵的计算不准确，导致对马达自由能的计算普遍偏差约8kBT，完全可以导致马达无法正常工作。项目开发的模拟方法可以快速弥补这一设计缺陷。（2）针对由模拟产生的马达运动轨迹数据，课题组开发了分析数据的理论方法。方法可以基于单个负载力下的轨迹预测马达的最大负载力（stall force）和最大输出功，得到了DNA人工分子马达的实验数据检验。结果表明，该非平衡态统计方法可以得到马达内部的有效驱动能，其数值是不随输出功大小而改变的，这是对分子马达物理机制的全新发现。该方法有望在近期，通过实验轨迹数据剖析生物分子马达的先进机制。（3）课题组还对有超高能量效率的FOF1马达进行了建模和机制分析的工作。模型预测，FOF1马达的运转速率相对于驱动能的斜率是一个特征值，约1/8kBT，是在热力学第二定律的极限下、以超高能量效率运行的标志。结果得到了多个实验的数据验证。项目的整体工作为DNA人工分子马达的研发、以及马达机制研究提供了有力的模拟和分析工具，将为该方向上的研究产生重要的推动作用。项目已经产生的研究发现，对于理解先进分子马达的高效机制具有重要意义。