دانشمندان دانشگاه صنعتی دلفت با الهام از آسیاب‌های بادی نمادین هلندی و پروتئین‌های موتور بیولوژیکی، کوچکترین موتورهای خود پیکربندی جریان را از DNA ساخته‌اند. این روتور جریان محور انرژی را از یک گرادیان الکتریکی یا نمکی به کار مکانیکی مفید تبدیل می کند.
دکتر شین شی، محقق فوق دکتری در آزمایشگاه پروفسور سیس دکر در بخش علوم زیستی در دانشگاه صنعتی دلفت (TU Delft)، گفت، "موتورهای دوار برای هزاران سال نیروگاه های جوامع بشری بوده اند. این موتورهای دوار که توسط یک جریان به حرکت در می‌آیند، در سلول‌هایی که نیاز به کار دارند نیز وجود دارند. اما ساخت مصنوعی در مقیاس نانو تا کنون گریزان باقی مانده است.
«موتور جریان محور ما از این ساخته شده است DNA مواد در یک غشای نازک، این ساختار بر روی یک نانوحفره، یک دهانه کوچک متصل می‌شود. بسته DNA با ضخامت تنها 7 نانومتر، تحت یک میدان الکتریکی به شکل روتور مانندی که متعاقباً در یک حرکت چرخشی پایدار با بیش از 10 دور در ثانیه تنظیم می‌شود، خودسازمان می‌شود.
به مدت 7 سال، دانشمندان در تلاش بوده اند تا به طور مصنوعی چنین نانوموتورهای چرخشی را از ابتدا بسازند. در این مطالعه، دانشمندان از تکنیکی به نام اوریگامی DNA استفاده کردند که از فعل و انفعالات خاص بین جفت‌های باز DNA مکمل برای ساخت نانو اشیاء دو بعدی و سه بعدی استفاده می‌کند.
جریان آب و یون انرژی را برای روتورها تامین می کند. این با اعمال ولتاژ یا به عبارت ساده تر، با داشتن دو طرف غشا با محتوای نمک متفاوت ایجاد می شود. دومی یکی از فراوان ترین منابع انرژی زیست شناسی است و چندین عملکرد حیاتی مانند نیروی محرکه سلولی و ساخت سوخت سلولی را تامین می کند.
دانشمندان خاطرنشان کردند، این دستاورد یک نقطه عطف است، زیرا اولین تحقق تجربی روتورهای فعال جریان محور در مقیاس نانو است.
دانشمندان پس از مشاهده چرخش ها متحیر شدند: چگونه میله های DNA ساده می توانند این چرخش های خوب و پایدار را نشان دهند؟
آنها این معما را در گفتگو با نظریه پرداز رامین گلستانیان و تیمش در موسسه ماکس پلانک برای پویایی و خودسازماندهی در گوتینگن حل کردند. آنها فرآیند خودسازماندهی جذابی را از طریق یک سیستم مدل‌سازی شده جدید دریافتند که در آن دسته‌ها به طور خود به خود به روتورهای کایرال تغییر شکل می‌دهند که سپس به جریان از نانوحفره‌ها متصل می‌شوند.
او گفت، این فرآیند خودسازماندهی واقعا زیبایی سادگی را نشان می دهد. اما اهمیت این کار به همین روتور ساده ختم نمی شود. تکنیک و مکانیسم فیزیکی پشت آن یک جهت کاملاً جدید برای ساخت نانوموتورهای مصنوعی ایجاد می کند: نانو جریان محور. توربین، یک زمینه شگفت آور ناشناخته توسط دانشمندان و مهندسان."
شما متعجب خواهید شد که چقدر کم می‌دانستیم و به ساخت چنین توربین‌های نانویی مبتنی بر جریان دست یافته‌ایم، به‌ویژه با توجه به دانش هزاره‌ای که در مورد ساخت همتایان آنها در مقیاس کلان و نقش‌های حیاتی آنها در خود زندگی دارند.»
دانشمندان در مرحله بعد پیشرفت قابل توجهی کردند: آنها توربین در مقیاس نانو را با استفاده از دانش به دست آمده پس از توسعه یک روتور خود سازماندهی شده طراحی کردند.
او گفت، مانند روشی که علم و فناوری همیشه کار می کنند، ما از یک چرخ ساده شروع کردیم، اکنون می توانیم آسیاب های بادی زیبای هلندی را بازسازی کنیم، اما این بار با اندازه تنها 25 نانومتر، به اندازه یک تکه پروتئین در بدن شماو توانایی خود را در حمل بار نشان دادند.»
سیس دکر، که بر این تحقیق نظارت داشت، گفت: و اکنون، جهت چرخش توسط کایرالیته طراحی شده تنظیم شد. توربین های چپ دست در جهت عقربه های ساعت می چرخند. راست دست ها خلاف جهت عقربه های ساعت می چرخیدند."
او گفت:, نتایج در کنار درک بهتر و تقلید از پروتئین های موتور مانند سنتاز FoF1-ATP، چشم اندازهای جدیدی را برای مهندسی رباتیک فعال در مقیاس نانو باز می کند. آنچه ما در اینجا نشان دادیم یک موتور در مقیاس نانو است که واقعاً قادر به انتقال انرژی و انجام کار است. می توانید با اولین اختراع ماشین بخار در قرن هجدهم تشبیه کنید. چه کسی می‌توانست پیش‌بینی کند که چگونه اساساً جوامع ما را تغییر داد؟ ممکن است اکنون با این نانوموتورهای مولکولی در فاز مشابهی باشیم. پتانسیل نامحدود است، اما هنوز کار زیادی برای انجام دادن وجود دارد."
مرجع مجله:
- Shi، X.، Pumm، AK.، Isensee، J. و همکاران. چرخش یک جهته پایدار یک روتور DNA خود سازماندهی شده روی یک نانوحفره. نات. فیزیک. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-Z
