Εμπνευσμένοι από τους εμβληματικούς ολλανδικούς ανεμόμυλους και τις βιολογικές πρωτεΐνες κινητήρων, επιστήμονες από το Τεχνολογικό Πανεπιστήμιο του Ντελφτ ανέπτυξαν τους μικρότερους, αυτορυθμιζόμενους κινητήρες ροής στον κόσμο από DNA. Αυτός ο ρότορας που κινείται από τη ροή μετατρέπει την ενέργεια από μια ηλεκτρική ή κλίση αλατιού σε χρήσιμο μηχανικό έργο.
Ο Δρ. Xin Shi, μεταδιδακτορικός ερευνητής στο εργαστήριο του καθηγητή Cees Dekker στο τμήμα Bionanoscience στο Delft University of Technology (TU Delft), είπε, «Οι περιστροφικοί κινητήρες ήταν οι κινητήριες δυνάμεις των ανθρώπινων κοινωνιών για χιλιετίες. Αυτοί οι περιστροφικοί κινητήρες, που κινούνται από μια ροή, εμφανίζονται επίσης σε κυψέλες που πρέπει να λειτουργήσουν. Αλλά η συνθετική κατασκευή σε νανοκλίμακα παρέμεινε μέχρι στιγμής άπιαστη».
«Ο κινητήρας μας που βασίζεται στη ροή είναι κατασκευασμένος από DNA υλικό. Σε μια λεπτή μεμβράνη, αυτή η δομή είναι προσαρτημένη σε ένα νανοπόρο, ένα μικροσκοπικό άνοιγμα. Η δέσμη DNA πάχους μόνο 7 νανόμετρων αυτο-οργανώνεται κάτω από ένα ηλεκτρικό πεδίο σε μια διαμόρφωση που μοιάζει με ρότορα που στη συνέχεια ρυθμίζεται σε μια παρατεταμένη περιστροφική κίνηση άνω των 10 στροφών ανά δευτερόλεπτο.
Για 7 χρόνια, οι επιστήμονες προσπαθούν να κατασκευάσουν συνθετικά τέτοιους περιστροφικούς νανοκινητήρες από την αρχή. Σε αυτή τη μελέτη, οι επιστήμονες χρησιμοποίησαν μια τεχνική που ονομάζεται origami DNA που χρησιμοποιεί τις συγκεκριμένες αλληλεπιδράσεις μεταξύ συμπληρωματικών ζευγών βάσεων DNA για την κατασκευή 2D και 3D νανο-αντικειμένων.
Η ροή νερού και ιόντων παρέχουν ισχύ στους ρότορες. Αυτό επιτυγχάνεται με την εφαρμογή τάσης ή, πιο απλά, με την ύπαρξη δύο πλευρών της μεμβράνης με διαφορετική περιεκτικότητα σε αλάτι. Η τελευταία είναι μια από τις πιο άφθονες πηγές ενέργειας της βιολογίας και τροφοδοτεί πολλές κρίσιμες λειτουργίες όπως η κυτταρική πρόωση και η κατασκευή κυψελωτού καυσίμου.
Οι επιστήμονες σημείωσαν, «Αυτό το επίτευγμα είναι ένα ορόσημο, καθώς είναι η πρώτη πειραματική υλοποίηση ενεργών ρότορων που οδηγούνται στη ροή στη νανοκλίμακα».
Οι επιστήμονες μπερδεύτηκαν αφού παρατήρησαν τις περιστροφές: πώς θα μπορούσαν τέτοιες απλές ράβδοι DNA να παρουσιάζουν αυτές τις ωραίες, συνεχείς περιστροφές;
Έλυσαν το παζλ σε συζητήσεις με τον θεωρητικό Ramin Golestanian και την ομάδα του στο Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization στο Göttingen. Βρήκαν τη συναρπαστική διαδικασία αυτοοργάνωσης μέσω ενός πρόσφατα διαμορφωμένου συστήματος όπου οι δέσμες παραμορφώνονται αυθόρμητα σε χειρόμορφους ρότορες που στη συνέχεια συνδέονται με τη ροή από τους νανοπόρους.
Είπε, «Αυτή η διαδικασία αυτοοργάνωσης δείχνει πραγματικά την ομορφιά της απλότητας. Αλλά η σημασία αυτής της εργασίας δεν σταματά σε αυτόν τον ίδιο τον απλό ρότορα. Η τεχνική και ο φυσικός μηχανισμός πίσω από αυτό καθιερώνουν μια εντελώς νέα κατεύθυνση κατασκευής συνθετικών νανοκινητήρων: νανοκατευθυνόμενη από ροή στρόβιλοι, ένα εκπληκτικά ανεξερεύνητο πεδίο από επιστήμονες και μηχανικούς».
«Θα εκπλαγείτε πόσο λίγα γνωρίζαμε και καταφέραμε να κατασκευάσουμε τέτοιους νανοστρόβιλους που βασίζονται στη ροή, ειδικά δεδομένης της χιλιετίας γνώσης που έχουμε για την κατασκευή των αντίστοιχων μακροοικονομικών τους κλιμάκων και των κρίσιμων ρόλων που εκπληρώνουν στην ίδια τη ζωή».
Στη συνέχεια, οι επιστήμονες έκαναν μια σημαντική πρόοδο: σχεδίασαν τον στρόβιλο νανοκλίμακας χρησιμοποιώντας τη γνώση που αποκτήθηκε μετά την ανάπτυξη ενός αυτο-οργανωμένου ρότορα.
Είπε, «Όπως πάντα λειτουργούν οι επιστήμες και οι τεχνολογίες, ξεκινήσαμε από έναν απλό τροχό, τώρα μπορούμε να αναδημιουργήσουμε τους όμορφους ολλανδικούς ανεμόμυλους, αλλά αυτή τη φορά με μέγεθος μόνο 25 nm, το μέγεθος ενός μόνο πρωτεΐνη στο σώμα σαςκαι απέδειξαν την ικανότητά τους να μεταφέρουν φορτία».
Ο Cees Dekker, ο οποίος επέβλεψε την έρευνα, είπε: «Και τώρα, η κατεύθυνση περιστροφής ορίστηκε από τη σχεδιασμένη χειραλικότητα. Οι αριστερόστροφες τουρμπίνες περιστράφηκαν δεξιόστροφα. οι δεξιόχειρες περιστρέφονταν αριστερόστροφα».
Αυτή είπε, «Δίπλα στην καλύτερη κατανόηση και μίμηση πρωτεϊνών κινητήρα όπως η συνθάση FoF1-ATP, τα αποτελέσματα ανοίγουν νέες προοπτικές για τη μηχανική ενεργητικής ρομποτικής σε νανοκλίμακα. Αυτό που δείξαμε εδώ είναι ένας κινητήρας νανοκλίμακας που είναι πραγματικά ικανός να μεταφέρει ενέργεια και να κάνει δουλειά. Θα μπορούσατε να κάνετε μια αναλογία με την πρώτη εφεύρεση της ατμομηχανής τον 18ο αιώνα. Ποιος θα μπορούσε να προβλέψει τότε πώς άλλαξε ριζικά τις κοινωνίες μας; Μπορεί να είμαστε σε παρόμοια φάση τώρα με αυτούς τους μοριακούς νανοκινητήρες. Οι δυνατότητες είναι απεριόριστες, αλλά υπάρχει ακόμα πολλή δουλειά να γίνει».
Αναφορά στο περιοδικό:
- Shi, Χ., Pumm, ΑΚ., Isensee, J. et αϊ. Παρατεταμένη μονοκατευθυντική περιστροφή ενός αυτο-οργανωμένου ρότορα DNA σε νανοπόρο. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
