For første gang skabte forskere med succes en molekylær elektrisk motor ved hjælp af DNA-origami-metoden. Motoren består af genetisk materiale, der samler sig selv og omdanner elektrisk energi til kinetisk energi.
Paul Rothemund skabte denne teknik i 2006, og forskergruppen på TUM forbedrede den senere. DNA omfatter flere lange enkeltstrenge, der fungerer som basen for andre DNA-strenge at binde til som modstykker. DNA-sekvenserne er valgt, så de sammenføjede strenge og foldede områder resulterer i de ønskede strukturer.
Hendrik Dietz, professor i biomolekylær nanoteknologi ved TUM, sagde, "Vi har fremmet denne fremstillingsmetode i mange år og kan nu udvikle særlige og komplekse objekter, såsom molekylære switches eller hule kroppe, der kan fange vira. Hvis du sætter DNA-strengene med de rigtige sekvenser i opløsning, samler objekterne sig selv."
Den nye nanomotor lavet af DNA Materialet består af tre komponenter: base, platform og rotorarm. Basen er cirka 40 nanometer høj og er fastgjort til en glasplade i opløsning via kemiske bindinger på en glasplade. En rotorarm på op til 500 nanometer i længden er monteret på basen, så den kan rotere. En anden afgørende komponent for, at motoren fungerer efter hensigten, er en platform mellem basen og rotorarmen. Denne platform indeholder forhindringer, der påvirker rotorarmens bevægelse. Rotorarmen skal bøje lidt opad for at passere forhindringerne og rotere, ligesom en skralde.
Motorens rotorarme bevæger sig tilfældigt i den ene eller den anden retning uden energitilførsel. Det sker på grund af tilfældige kollisioner med molekyler fra det omgivende opløsningsmiddel. Når AC-spænding påføres gennem to elektroder, roterer rotorarmene målrettet og kontinuerligt i én retning.
Ramin Golestanian, der ledede den teoretiske analyse af motorens mekanisme, sagde: "Den nye motor har hidtil usete mekaniske egenskaber: Den kan opnå drejningsmomenter i området 10 piconewton gange nanometer. Og det kan generere mere energi i sekundet, end når to ATP-molekyler deles."
Motorernes målrettede bevægelse skyldes de elektriske kræfters overlejring med de kræfter, som rotorarmen udsættes for på grund af skraldebarriererne. En påstået "blinkende Brownsk skralde" realiseres via den underliggende proces. Det elektrisk felt's retning, såvel som frekvensen og amplituden af AC-spændingen, gjorde det muligt for forskere at kontrollere rotationens hastighed og retning.
Dietz sagde, "Den nye motor kan også have tekniske anvendelser i fremtiden. Hvis vi udvikler motoren yderligere, kan vi bruge den i fremtiden til at drive brugerdefinerede kemiske reaktioner, inspireret af hvordan ATP-syntase gør ATP drevet af rotation. Så kunne f.eks. overflader være tæt belagt med sådanne motorer. Så ville du tilføje startmaterialer, påføre lidt AC-spænding, og motorerne producerer den ønskede kemiske forbindelse."
Journal Reference:
- Anna-Katharina Pumm, Wouter Engelen, Enzo Kopperger, Jonas Isensee, Matthias Vogt, Viktorija Kozina, Massimo Kube, Maximilian N. Honemann, Eva Bertosin, Martin Langecker, Ramin Golestanian, Friedrich C. Simmel & Hendrik Dietz. En DNA origami roterende skraldemotor. Natur (2022). DOI: 10.1038 / s41586-022-04910-y
