Ikonisten hollantilaisten tuulimyllyjen ja biologisten moottoriproteiinien inspiroimana Delftin teknillisen yliopiston tutkijat ovat kehittäneet maailman pienimmät, itsekonfiguroituvat virtauskäyttöiset moottorit DNA:sta. Tämä virtauskäyttöinen roottori muuntaa sähkö- tai suolagradientin energian hyödylliseksi mekaaniseksi työksi.
Tri Xin Shi, tohtorintutkija professori Cees Dekkerin laboratoriossa Bionanoscience-osastolla klo. Delftin teknillinen yliopisto (TU Delft), sanoi, "Pyörömoottorit ovat olleet ihmisyhteiskuntien voimapaloja vuosituhansien ajan. Nämä pyörivät moottorit, jotka toimivat virtauksella, ovat myös toiminnassa. Mutta nanomittakaavan synteettinen rakenne on toistaiseksi jäänyt vaikeaksi."
"Virtauskäyttöinen moottorimme on valmistettu DNA materiaalia. Ohuessa kalvossa tämä rakenne on kiinnitetty nanohuokoseen, pieneen aukkoon. Vain 7 nanometrin paksuinen DNA-nippu organisoituu itsestään sähkökentän alaisena roottorimaiseksi konfiguraatioksi, joka myöhemmin asetetaan jatkuvaan, yli 10 kierrosta sekunnissa pyörivään liikkeeseen.
7 vuoden ajan tiedemiehet ovat yrittäneet rakentaa synteettisesti tällaisia pyöriviä nanomoottoreita tyhjästä. Tässä tutkimuksessa tutkijat käyttivät DNA-origami-nimistä tekniikkaa, joka käyttää komplementaaristen DNA-emäsparien välisiä spesifisiä vuorovaikutuksia 2D- ja 3D-nanoobjektien rakentamiseen.
Vesi- ja ionivirtaus antavat tehoa roottoreille. Tämä saadaan aikaan käyttämällä jännitettä tai yksinkertaisemmin sanottuna siten, että kalvossa on kaksi puolta, joilla on erilaiset suolapitoisuudet. Jälkimmäinen on yksi biologian runsaimmista energialähteistä ja ruokkii useita tärkeitä toimintoja, kuten solujen propulsio ja solupolttoaineen valmistus.
Tiedemiehet huomauttivat, "Tämä saavutus on virstanpylväs, sillä se on ensimmäinen kokeellinen toteutus virtausohjatuista aktiivisista roottoreista nanomittakaavassa."
Tutkijat olivat ymmällään kiertojen havainnoinnin jälkeen: kuinka tällaiset yksinkertaiset DNA-sauvat saattoivat osoittaa näitä mukavia, jatkuvaa kiertoa?
He ratkaisivat pulman keskusteluissa teoreetikko Ramin Golestanianin ja hänen tiiminsä kanssa Max Planckin dynamiikan ja itseorganisaation instituutissa Göttingenissä. He löysivät kiehtovan itseorganisaatioprosessin äskettäin mallinnetun järjestelmän kautta, jossa niput muodostuvat spontaanisti kiraalisiksi roottoreiksi, jotka sitten kytkeytyvät nanohuokosista tulevaan virtaukseen.
Hän sanoi, ”Tämä itseorganisaatioprosessi osoittaa todella yksinkertaisuuden kauneuden. Mutta tämän työn merkitys ei pysähdy tähän yksinkertaiseen roottoriin itsessään. Tekniikka ja sen takana oleva fyysinen mekanismi luovat täysin uuden suunnan synteettisten nanomoottorien rakentamiselle: virtausohjattu nano turbiinit, tiedemiesten ja insinöörien yllättävän tutkimaton ala."
"Yllättyisit siitä, kuinka vähän tiesimme ja saavutimme tällaisten virtausohjattujen nanoturbiinien rakentamisessa, varsinkin kun otetaan huomioon vuosituhansia vanha tieto, joka meillä on niiden makromittakaavaisten vastineiden rakentamisesta ja niiden ratkaisevassa roolissa elämässä."
Seuraavaksi tutkijat edistyivät merkittävästi: he suunnittelivat nanomittakaavan turbiinin käyttämällä itseorganisoituneen roottorin kehittämisen jälkeen saatua tietoa.
Hän sanoi, "Kuten tiede ja teknologia toimivat aina, aloitimme yksinkertaisesta väylästä, nyt voimme luoda kauniita hollantilaisia tuulimyllyjä, mutta tällä kertaa vain 25 nm:n kokoisina. proteiinia kehossasi, ja he osoittivat kykynsä kantaa kuormia."
Tutkimusta ohjannut Cees Dekker sanoi, "Ja nyt pyörimissuunnan määräsi suunniteltu kiraalisuus. Vasenkätiset turbiinit pyörivät myötäpäivään; oikeakätiset pyörivät vastapäivään."
Hän sanoi, ”Moottoristen proteiinien, kuten FoF1-ATP-syntaasin, ymmärtämisen ja jäljittelemisen lisäksi tulokset avaavat uusia näkökulmia aktiivisen robotiikan suunnitteluun nanomittakaavassa. Olemme osoittaneet tässä nanomittakaavan moottorin, joka todella pystyy muuttamaan energiaa ja tekemään työtä. Voit vetää analogian höyrykoneen ensimmäiseen keksintöön 18-luvulla. Kuka olisi silloin voinut ennustaa, kuinka se pohjimmiltaan muutti yhteiskuntiamme? Saatamme olla samanlaisessa vaiheessa nyt näiden molekyylien nanomoottorien kanssa. Potentiaalit ovat rajattomat, mutta työtä on vielä paljon.”
Lehden viite:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et ai. Itseorganisoituneen DNA-roottorin jatkuva yksisuuntainen pyöriminen nanohuokosessa. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
