Inspirándose en los icónicos molinos de viento holandeses y las proteínas motoras biológicas, los científicos de la Universidad Tecnológica de Delft han desarrollado los motores impulsados por flujo autoconfigurables más pequeños del mundo a partir de ADN. Este rotor impulsado por flujo convierte la energía de un gradiente eléctrico o de sal en trabajo mecánico útil.
El Dr. Xin Shi, investigador postdoctoral en el laboratorio del profesor Cees Dekker en el departamento de Bionanociencia de Universidad Tecnológica de Delft (TU Delft), dijo, “Los motores rotativos han sido los motores de las sociedades humanas durante milenios. Estos motores rotativos, impulsados por un flujo, también se encuentran en las células que necesitan funcionar. Pero la construcción sintética a nanoescala hasta ahora sigue siendo difícil de alcanzar”.
“Nuestro motor impulsado por flujo está hecho de ADN material. En una membrana delgada, esta estructura está acoplada a un nanoporo, una pequeña abertura. El haz de ADN de sólo 7 nanómetros de espesor se autoorganiza bajo un campo eléctrico en una configuración similar a un rotor que posteriormente se pone en un movimiento giratorio sostenido de más de 10 revoluciones por segundo”.
Durante 7 años, los científicos han estado intentando construir sintéticamente estos nanomotores giratorios desde cero. En este estudio, los científicos utilizaron una técnica llamada origami de ADN que utiliza interacciones específicas entre pares de bases de ADN complementarios para construir nanoobjetos 2D y 3D.
El flujo de agua e iones proporciona energía a los rotores. Esto se establece aplicando voltaje o, más simplemente, teniendo dos lados de la membrana con diferentes contenidos de sal. Este último es una de las fuentes de energía más abundantes de la biología y alimenta varias funciones cruciales como la propulsión celular y la fabricación de combustible celular.
Los científicos señalaron, "Este logro es un hito, ya que es la primera realización experimental de rotores activos impulsados por flujo a nanoescala".
Los científicos quedaron desconcertados después de observar las rotaciones: ¿cómo podrían barras de ADN tan simples exhibir estas rotaciones agradables y sostenidas?
Resolvieron el enigma en conversaciones con el teórico Ramin Golestanian y su equipo en el Instituto Max Planck de Dinámica y Autoorganización en Gotinga. Descubrieron el fascinante proceso de autoorganización a través de un sistema recientemente modelado donde los haces se deforman espontáneamente en rotores quirales que luego se acoplan al flujo de los nanoporos.
Ella dijo: “Este proceso de autoorganización muestra verdaderamente la belleza de la simplicidad. Pero la importancia de este trabajo no se limita a este simple rotor en sí. La técnica y el mecanismo físico detrás de esto establecen una dirección completamente nueva en la construcción de nanomotores sintéticos: nanomotores impulsados por flujo. turbinas, un campo sorprendentemente inexplorado por científicos e ingenieros”.
"Te sorprendería lo poco que sabíamos y logramos construir tales nanoturbinas impulsadas por flujo, especialmente teniendo en cuenta el conocimiento milenario que tenemos sobre la construcción de sus contrapartes a macroescala y los roles críticos que cumplen en la vida misma".
A continuación, los científicos hicieron un avance significativo: diseñaron la turbina a nanoescala utilizando los conocimientos adquiridos tras desarrollar un rotor autoorganizado.
Ella dijo: “Como siempre funcionan la ciencia y la tecnología, partimos de un simple molinete, ahora podemos recrear los hermosos molinos de viento holandeses, pero esta vez con un tamaño de solo 25 nm, el tamaño de un solo proteína en tu cuerpo, y demostraron su capacidad para transportar cargas”.
Cees Dekker, quien supervisó la investigación, dijo: “Y ahora, la dirección de rotación la establecía la quiralidad diseñada. Las turbinas zurdas giran en el sentido de las agujas del reloj; los diestros giraban en sentido antihorario”.
Ella dijo, “Además de comprender mejor e imitar proteínas motoras como la FoF1-ATP sintasa, los resultados abren nuevas perspectivas para la ingeniería de robótica activa a nanoescala. Lo que hemos demostrado aquí es un motor a nanoescala que es verdaderamente capaz de transducir energía y realizar trabajo. Se podría establecer una analogía con la primera invención de la máquina de vapor en el siglo XVIII. ¿Quién podría haber predicho entonces cómo cambió fundamentalmente nuestras sociedades? Podríamos estar ahora en una fase similar con estos nanomotores moleculares. El potencial es ilimitado, pero aún queda mucho trabajo por hacer”.
Referencia de la revista:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Rotación unidireccional sostenida de un rotor de ADN autoorganizado en un nanoporo. Nat. fisio. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022, 01683-z
