مستوحاة من طواحين الهواء الهولندية الشهيرة وبروتينات المحركات البيولوجية ، طور علماء من جامعة دلفت للتكنولوجيا أصغر محركات في العالم ذاتية التكوين تعمل بالتدفق من الحمض النووي. هذا الدوار الذي يحركه التدفق يحول الطاقة من التدرج الكهربائي أو الملح إلى عمل ميكانيكي مفيد.
الدكتورة شين شي ، باحثة ما بعد الدكتوراه في معمل البروفيسور سيس ديكر بقسم العلوم البيولوجية في جامعة دلفت للتكنولوجيا (TU Delft) ، قال ، "كانت المحركات الدوارة مراكز القوة في المجتمعات البشرية لآلاف السنين. هذه المحركات الدوارة ، مدفوعة بالتدفق ، تظهر أيضًا في الخلايا التي تحتاج إلى العمل. لكن البناء التركيبي على المقياس النانوي ظل بعيد المنال حتى الآن ".
"محركنا الذي يحركه التدفق مصنوع من الحمض النووي مواد. في غشاء رقيق ، يتم تثبيت هذا الهيكل على ثقب نانوي ، فتحة صغيرة. حزمة الحمض النووي بسماكة 7 نانومتر فقط تنتظم ذاتيًا تحت مجال كهربائي في تكوين شبيه بالعضو الدوار والذي يتم ضبطه لاحقًا في حركة دورانية مستمرة لأكثر من 10 دورات في الثانية ".
لمدة 7 سنوات ، كان العلماء يحاولون تصنيع مثل هذه المحركات النانوية الدوارة من الصفر. في هذه الدراسة ، استخدم العلماء تقنية تسمى DNA Origami التي تستخدم التفاعلات المحددة بين أزواج قواعد الحمض النووي التكميلية لبناء كائنات نانوية ثنائية وثلاثية الأبعاد.
يوفر تدفق الماء والأيونات الطاقة للدوارات. يتم تحديد ذلك عن طريق تطبيق الجهد أو ، ببساطة ، من خلال وجود جانبين من الغشاء بمحتويات ملح مختلفة. هذا الأخير هو أحد مصادر الطاقة الأكثر وفرة في علم الأحياء ويغذي العديد من الوظائف الحاسمة مثل دفع الخلية وتصنيع الوقود الخلوي.
لاحظ العلماء ، "يعد هذا الإنجاز علامة فارقة ، حيث إنه أول تحقيق تجريبي على الإطلاق للدوارات النشطة المدفوعة بالتدفق على المستوى النانوي."
كان العلماء في حيرة بعد مراقبة الدورات: كيف يمكن لقضبان الحمض النووي البسيطة هذه أن تعرض هذه الدورات اللطيفة والمستمرة؟
قاموا بحل اللغز في المناقشات مع المنظر رامين جولستانيان وفريقه في معهد ماكس بلانك للديناميات والتنظيم الذاتي في غوتنغن. ووجدوا عملية التنظيم الذاتي الرائعة من خلال نظام مصمم حديثًا حيث تتشوه الحزم تلقائيًا إلى دوارات لولبية تقترن بعد ذلك بالتدفق من المسام النانوية.
وقالت، "إن عملية التنظيم الذاتي هذه تُظهر حقًا جمال البساطة. لكن أهمية هذا العمل لا تتوقف عند هذا الدوار البسيط نفسه. تحدد التقنية والآلية الفيزيائية الكامنة وراءها اتجاهًا جديدًا تمامًا لبناء محركات نانوية اصطناعية: نانو يحركها التدفق توربينات، وهو مجال غير مستكشف بشكل مدهش من قبل العلماء والمهندسين ".
"ستندهش من ضآلة ما عرفناه وحققناه في بناء مثل هذه التوربينات النانوية المدفوعة بالتدفق ، لا سيما بالنظر إلى المعرفة القديمة التي امتلكناها منذ آلاف السنين حول بناء نظرائهم على نطاق كبير والأدوار الحاسمة التي يؤدونها في الحياة نفسها."
حقق العلماء بعد ذلك تقدمًا كبيرًا: فقد صمموا التوربينات النانوية باستخدام المعرفة التي تم الحصول عليها بعد تطوير دوار منظم ذاتيًا.
وقالت، "مثل الطريقة التي يعمل بها العلم والتقنيات دائمًا ، بدأنا من دولاب الهواء البسيط ، والآن يمكننا إعادة إنشاء طواحين الهواء الهولندية الجميلة ، ولكن هذه المرة بحجم 25 نانومتر فقط ، بحجم واحد البروتين في جسمك، وقد أظهروا قدرتهم على حمل الأحمال ".
قال سيس ديكر ، المشرف على البحث ، "والآن ، تم تحديد اتجاه الدوران بواسطة chirality المصمم. تدور التوربينات اليسرى في اتجاه عقارب الساعة ؛ تم تدوير اليد اليمنى عكس اتجاه عقارب الساعة ".
هي محمد, "بجانب فهم أفضل للبروتينات الحركية ومحاكاتها مثل سينسيز FoF1-ATP ، تفتح النتائج آفاقًا جديدة لهندسة الروبوتات النشطة على المستوى النانوي. ما أظهرناه هنا هو محرك نانوي قادر حقًا على تحويل الطاقة والقيام بعمل. يمكنك رسم تشابه مع أول اختراع للمحرك البخاري في القرن الثامن عشر. من كان يمكن أن يتنبأ إذن كيف غيرت مجتمعاتنا بشكل جذري؟ قد نكون في مرحلة مماثلة الآن مع هذه المحركات النانوية الجزيئية. الإمكانيات غير محدودة ، ولكن لا يزال هناك الكثير من العمل الذي يتعين القيام به ".
المرجع مجلة:
- شي ، إكس ، بوم ، إيه كيه ، إيسينسي ، جيه وآخرون. دوران مستمر أحادي الاتجاه لدوار DNA منظم ذاتيًا على ثقب نانوي. نات. فيز. (2022). معرف الهوية الرقمي: 10.1038 / s41567-022-01683-Z
