人工分子モーターをさらに高速、長距離、一方向に ―粒子サイズと反応速度から導く設計指針をシミュレーションで提案―

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2026-10-19 分子科学研究所

分子科学研究所と総合研究大学院大学の研究チームは、DNAで表面を修飾した微粒子がRNAを敷いた基板上を移動する「DNAナノ/マイクロ粒子モーター」について、数理シミュレーションにより運動性能を左右する要因を明らかにした。粒子径100~5,000 nmのモーターを対象に、DNAとRNAの結合、RNA分解酵素による切断、粒子のブラウン運動を組み合わせて運動を再現した。その結果、大きな粒子ほど一度に移動する距離が長くなる一方、次の移動までの停止時間も長くなるため、平均速度は粒子径によらず毎秒約30 nmに保たれることが分かった。一方、大きな粒子は基板から脱離しにくく、移動距離が長くなるとともに、進行方向も前方にそろいやすくなる。また、運動に関わる生化学反応の速度を仮想的に10倍にすると、毎秒200 nmを超える速度が得られると予測された。本研究は、粒子サイズと反応速度を最適化することで、高性能な人工分子モーターを設計するための指針を示した。将来、微小デバイスの駆動や分子検出などのセンシング技術への応用が期待される。

人工分子モーターをさらに高速、長距離、一方向に ―粒子サイズと反応速度から導く設計指針をシミュレーションで提案―
図1 DNAナノ/マイクロ粒子モーターをイメージした模型。模型製作協力:分子研装置開発室, 松尾純一

<関連情報>

人工DNAナノ/マイクロ粒子モーター:幾何学的運動シミュレーションによって明らかになった、速度、走行距離、および一方向性を左右する要因 Artificial DNA-nano/microparticle motors: Factors governing speed, run length, and unidirectionality revealed by geometry-based kinetic simulations

Takanori Harashima ∙ Ryota Iino
Biophysical Journal  Published:September 29, 2026
DOI:https://doi.org/10.1016/j.bpj.2026.09.041

Abstract

DNA-nano/microparticle motors are burnt-bridge Brownian ratchets (BBR) moving on an RNA-modified two-dimensional surface driven by ribonuclease H (RNase H) and are one of the fastest artificial molecular motors. Interestingly, these motors with moderate GC contents show processive rolling motion with a characteristic speed of ∼30 nm s−1 irrespective of particle size ranging from 100 to 5,000 nm, whereas run length increases with particle size. Here, we performed geometry-based kinetic simulations of DNA-nano/microparticle motors with the sizes of 100, 500, 1,000, and 5,000 nm to identify factors governing speed, run length, and unidirectionality. The simulations reproduced experimental trends: run length and unidirectionality increased with particle size, whereas median speed varied within a relatively narrow range of 20–50 nm s−1. This weak particle-size dependence of speed was caused by a trade-off between step size and pause length, both of which increased with particle size. In contrast, the run length and the unidirectionality increased with the particle size because large particles had high multivalency, which suppresses stochastic detachment of the motor; high RNA hydrolysis efficiency under the motor trajectory, which realizes almost perfect BBR motion; and stepping direction highly biased to forward. For all particle sizes examined, the speed increased from ∼20–30 to ∼220–250 nm s−1 by 10-fold increases in DNA/RNA hybridization, RNase H binding, and RNA hydrolysis rates (from 0.8 to 8.0 s−1, 7.2 to 72 s−1, and 3.0 to 30 s−1, respectively), even when considering the rotational diffusion of these particles. However, for the largest 5,000-nm motor, the duration of rotational diffusion (∼0.04 s) reached ∼13% of the pause length (∼0.30 s) under the fast kinetic condition, decreasing the median speed from 250 to 220 nm s−1. Our results indicate that small DNA-particle motors have a potential for further acceleration because the contribution of rotational diffusion remains small.

生物化学工学
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