Inspireret af ikoniske hollandske vindmøller og biologiske motorproteiner har forskere fra Delft University of Technology udviklet verdens mindste, selvkonfigurerende flow-drevne motorer fra DNA. Denne flow-drevne rotor omdanner energi fra en elektrisk eller saltgradient til nyttigt mekanisk arbejde.
Dr. Xin Shi, en postdoc-forsker i professor Cees Dekkers laboratorium i Bionanoscience-afdelingen kl. Delft University of Technology (TU Delft), sagde, "Roterende motorer har været kraftcentrene i menneskelige samfund i årtusinder. Disse roterende motorer, drevet af et flow, findes også i celler, der skal fungere. Men den syntetiske konstruktion på nanoskala er indtil videre forblevet uhåndgribelig."
“Vores flow-drevne motor er lavet af DNA materiale. I en tynd membran er denne struktur forankret til en nanopore, en lille åbning. DNA-bundtet på kun 7 nanometer tykkelse organiserer sig selv under et elektrisk felt til en rotorlignende konfiguration, der efterfølgende sættes i en vedvarende roterende bevægelse på mere end 10 omdrejninger i sekundet."
I 7 år har forskere forsøgt at syntetisk bygge sådanne roterende nanomotorer fra bunden. I denne undersøgelse brugte videnskabsmænd en teknik kaldet DNA-origami, der bruger de specifikke interaktioner mellem komplementære DNA-basepar til at konstruere 2D- og 3D-nanoobjekter.
Vand- og ionstrømmen giver strøm til rotorerne. Dette etableres ved at påføre spænding eller mere enkelt ved at have to sider af membranen med forskelligt saltindhold. Sidstnævnte er en af biologiens mest udbredte energikilder og brænder flere afgørende funktioner som cellefremdrift og fremstilling af cellulært brændstof.
Forskere bemærkede, "Denne præstation er en milepæl, da det er den første nogensinde eksperimentelle realisering af flow-drevne aktive rotorer på nanoskala."
Forskere var forundrede efter at have observeret rotationerne: hvordan kunne sådanne simple DNA-stænger udvise disse flotte, vedvarende rotationer?
De løste gåden i diskussioner med teoretiker Ramin Golestanian og hans team på Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organisation i Göttingen. De fandt den fascinerende selvorganiseringsproces gennem et nyligt modelleret system, hvor bundterne spontant deformeres til chirale rotorer, der derefter kobles til strømmen fra nanoporerne.
Hun sagde, "Denne selvorganiseringsproces viser virkelig skønheden ved enkelhed. Men vigtigheden af dette arbejde stopper ikke ved selve denne simple rotor. Teknikken og den fysiske mekanisme bag det etablerer en helt ny retning for at bygge syntetiske nanomotorer: flow-drevet nano turbiner, et overraskende uudforsket felt af videnskabsmænd og ingeniører."
"Du ville blive overrasket over, hvor lidt vi vidste og opnåede at bygge sådanne flow-drevne nanoturbiner, især i betragtning af den årtusinder gamle viden, vi har om at bygge deres makroskala modstykker og de kritiske roller, de udfylder i selve livet."
Forskere gjorde derefter et betydeligt fremskridt: de designede nanoskala-turbinen ved hjælp af viden opnået efter at have udviklet en selvorganiseret rotor.
Hun sagde, "Ligesom hvordan videnskab og teknologi altid fungerer, startede vi fra et simpelt pinwheel, som nu kan genskabe de smukke hollandske vindmøller, men denne gang med en størrelse på kun 25 nm, på størrelse med en enkelt protein i din krop, og de demonstrerede deres evne til at bære byrder."
Cees Dekker, der overvågede forskningen, sagde: "Og nu blev rotationsretningen sat af den designede chiralitet. Venstrehåndede turbiner roteret med uret; højrehåndede roterede mod uret."
Hun sagde, "Ved siden af bedre forståelse og efterligning af motorproteiner såsom FoF1-ATP-syntase åbner resultaterne nye perspektiver for konstruktion af aktiv robotteknologi på nanoskala. Det, vi har demonstreret her, er en motor i nanoskala, der virkelig er i stand til at transducere energi og udføre arbejde. Man kunne drage en analogi med den første opfindelse af dampmaskinen i det 18. århundrede. Hvem kunne dengang have forudsagt, hvordan det fundamentalt ændrede vores samfund? Vi er måske i en lignende fase nu med disse molekylære nanomotorer. Potentialet er ubegrænset, men der er stadig meget arbejde at gøre."
Journal Reference:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Vedvarende ensrettet rotation af en selvorganiseret DNA-rotor på en nanopore. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
