イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校の研究チームは、高解像度の分子動力学シミュレーションを通じて、カーボンナノチューブ内で回転するDNA二重らせんが、濃度勾配に逆らって水とイオンを輸送できることを実証した。これは、人類最古のポンプ機構の1つであるアルキメデスのスクリューの分子スケール版である。
この研究はbioRxivにプレプリントとして掲載され、2000年以上前に灌漑用水を汲み上げるために発明された螺旋スクリューポンプの原理が、重力や慣性が無視できるスケールに変換できることを示している。
動作の仕組み
DNA二重鎖は、ナノスケールのアルキメデスのスクリューの螺旋羽根として機能する。カーボンナノチューブ内で回転すると、DNAの自然な螺旋形状が水とイオンをすくい上げ、チューブ内を輸送する。そのメカニズムは輸送対象によって異なる。水の輸送は主に回転する二重鎖の立体形状によって駆動され、物理的な掃引運動が水分子を引きずる。イオン輸送、特に陽イオンの輸送はより速く、負に帯電したDNA骨格と正に帯電したイオン間の静電相互作用によって駆動される。
重要なことに、トルク駆動の二重鎖は、濃度勾配に逆らって、低濃度から高濃度へとイオンを移動させることができる。これはポンプの定義特性であり、アルキメデスのスクリュー原理を分子スケールで意味のあるものにする特徴である。
回転誘発イオンフラックスは特定の陽イオンタイプに依存し、ナノスケールでのイオン分離の可能性を示唆している。
現時点ではシミュレーションのみ
ザビエル・ムレジヴァ、クリストファー・マフェオ、アレクセイ・アクシメンティエフ（UIUC物理学部）によるこの研究は、完全に計算によるものである。ジュリア・ヴァズによるScienceのニュース記事が指摘するように、「カーボンナノチューブ内にDNA二重らせんを収めて固定する」という工学的課題は現実世界では未解決のままである。実験的な実現はまだ実証されていない。
重要性
これは、巨視的なポンプ原理が、天然の生物学的螺旋を用いて分子スケールで機能することを示した初めての実証である。巨視的なポンプは重力と慣性に依存するが、これらの力はナノメートルスケールでは実質的にゼロであり、この変換は決して自明ではない。
実験的な実現が達成されれば、潜在的な応用としては、微小スケールでの分子移動のためのラボオンチップ技術、生体物質の分離と濃縮、分子スケールの流体処理などが含まれる。
この研究は、米国国立科学財団（ID-2411133）の助成を受けた。
開示：本内容は、査読を経ていないbioRxivプレプリントに基づく。本研究は完全に計算によるものであり（分子動力学シミュレーション）、実験的な実現はない。
雅子 訳
出典：
1. Mleziva X, Maffeo C, Aksimentiev A. 「DNA: A Nanoscale Archimedes’ Screw.」 bioRxiv. 2026. DOI: 10.64898/2026.06.25.734429
2. Science AAAS に掲載。https://www.science.org/content/article/dna-could-act-famed-gravity-defying-pump