Inspiriert von ikonischen holländischen Windmühlen und biologischen Motorproteinen haben Wissenschaftler der Technischen Universität Delft die weltweit kleinsten, sich selbst konfigurierenden strömungsgetriebenen Motoren aus DNA entwickelt. Dieser strömungsgetriebene Rotor wandelt Energie aus einem elektrischen oder Salzgradienten in nützliche mechanische Arbeit um.
Dr. Xin Shi, Postdoktorand im Labor von Professor Cees Dekker in der Abteilung Bionanowissenschaften der Universität Technische Universität Delft (TU Delft), sagte: „Rotationsmotoren sind seit Jahrtausenden die Kraftwerke menschlicher Gesellschaften. Diese durch eine Strömung angetriebenen Rotationsmotoren kommen auch in Zellen zum Einsatz, die betrieben werden müssen. Doch der synthetische Aufbau auf der Nanoskala ist bisher noch nicht geklärt.“
„Unser Strömungsmotor besteht aus DNA Material. In einer dünnen Membran ist diese Struktur an eine Nanopore, eine winzige Öffnung, angedockt. Das nur 7 Nanometer dicke DNA-Bündel organisiert sich unter einem elektrischen Feld selbst zu einer Rotor-ähnlichen Konfiguration, die anschließend in eine anhaltende Drehbewegung von mehr als 10 Umdrehungen pro Sekunde versetzt wird.“
Seit sieben Jahren versuchen Wissenschaftler, solche rotierenden Nanomotoren von Grund auf synthetisch herzustellen. In dieser Studie verwendeten Wissenschaftler eine Technik namens DNA-Origami, die die spezifischen Wechselwirkungen zwischen komplementären DNA-Basenpaaren nutzt, um 7D- und 2D-Nanoobjekte zu konstruieren.
Der Wasser- und Ionenfluss versorgt die Rotoren mit Strom. Dies geschieht durch Anlegen einer Spannung oder einfacher dadurch, dass zwei Seiten der Membran unterschiedliche Salzgehalte aufweisen. Letzteres ist eine der am häufigsten vorkommenden Energiequellen der Biologie und versorgt mehrere entscheidende Funktionen wie den Zellantrieb und die Herstellung von Zellbrennstoff.
Wissenschaftler stellten fest, „Dieser Erfolg ist ein Meilenstein, da es sich um die erste experimentelle Realisierung strömungsgetriebener aktiver Rotoren im Nanomaßstab handelt.“
Wissenschaftler waren nach der Beobachtung der Rotationen verwirrt: Wie konnten solch einfache DNA-Stäbchen diese schönen, anhaltenden Rotationen zeigen?
Das Rätsel lösten sie im Gespräch mit dem Theoretiker Ramin Golestanian und seinem Team am Max-Planck-Institut für Dynamik und Selbstorganisation in Göttingen. Sie entdeckten den faszinierenden Selbstorganisationsprozess durch ein neu modelliertes System, bei dem sich die Bündel spontan zu chiralen Rotoren verformen, die sich dann an die Strömung aus den Nanoporen koppeln.
Sie sagte: „Dieser Selbstorganisationsprozess zeigt wirklich die Schönheit der Einfachheit. Die Bedeutung dieser Arbeit beschränkt sich jedoch nicht nur auf diesen einfachen Rotor. Die Technik und der physikalische Mechanismus dahinter eröffnen eine völlig neue Richtung beim Bau synthetischer Nanomotoren: strömungsgetriebene Nanomotoren Turbinen, ein überraschend unerforschtes Gebiet von Wissenschaftlern und Ingenieuren.“
„Sie wären überrascht, wie wenig wir über den Bau solcher strömungsgetriebenen Nanoturbinen wussten und erreichten, insbesondere angesichts des jahrtausendealten Wissens, das wir über den Bau ihrer makroskaligen Gegenstücke und die entscheidenden Rollen haben, die sie im Leben selbst erfüllen.“
Als nächstes machten die Wissenschaftler einen bedeutenden Fortschritt: Sie entwarfen die Turbine im Nanomaßstab und nutzten dabei die Erkenntnisse, die sie bei der Entwicklung eines selbstorganisierten Rotors gewonnen hatten.
Sie sagte: „So wie Wissenschaft und Technologie immer funktionieren, haben wir mit einem einfachen Windrad begonnen und können jetzt die wunderschönen holländischen Windmühlen nachbilden, diesmal jedoch mit einer Größe von nur 25 nm, also der Größe einer einzelnen Protein in Ihrem Körper, und sie stellten ihre Fähigkeit unter Beweis, Lasten zu tragen.“
Cees Dekker, der die Forschung leitete, sagte: „Und nun wurde die Rotationsrichtung durch die entworfene Chiralität festgelegt. Linksdrehende Turbinen drehten sich im Uhrzeigersinn; Rechtshänder drehten sich gegen den Uhrzeigersinn.“
Sie sagte, „Neben dem besseren Verständnis und der Nachahmung von Motorproteinen wie der FoF1-ATP-Synthase eröffnen die Ergebnisse neue Perspektiven für die Entwicklung aktiver Robotik auf der Nanoskala. Was wir hier demonstriert haben, ist ein Nanomotor, der tatsächlich in der Lage ist, Energie umzuwandeln und Arbeit zu verrichten. Man könnte eine Analogie zur ersten Erfindung der Dampfmaschine im 18. Jahrhundert ziehen. Wer hätte damals vorhersagen können, wie es unsere Gesellschaften grundlegend veränderte? Mit diesen molekularen Nanomotoren könnten wir uns jetzt in einer ähnlichen Phase befinden. Das Potenzial ist unbegrenzt, aber es gibt noch viel zu tun.“
Journal Referenz:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Anhaltende unidirektionale Rotation eines selbstorganisierten DNA-Rotors auf einer Nanopore. Nat. Physik. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
