Inspirés par les moulins à vent néerlandais emblématiques et les protéines motrices biologiques, les scientifiques de l'Université de technologie de Delft ont développé les plus petits moteurs à flux auto-configurables au monde à partir d'ADN. Ce rotor entraîné par flux convertit l'énergie d'un gradient électrique ou salin en travail mécanique utile.
Le Dr Xin Shi, chercheur postdoctoral dans le laboratoire du professeur Cees Dekker au département Bionanoscience de Université de technologie de Delft (TU Delft), a déclaré, « Les moteurs rotatifs sont les moteurs des sociétés humaines depuis des millénaires. Ces moteurs rotatifs, entraînés par un flux, équipent également les cellules devant fonctionner. Mais la construction synthétique à l'échelle nanométrique est jusqu'à présent restée insaisissable.
"Notre moteur à flux est fabriqué à partir de L'ADN Matériel. Dans une fine membrane, cette structure est ancrée sur un nanopore, une minuscule ouverture. Le faisceau d'ADN d'une épaisseur de seulement 7 nanomètres s'auto-organise sous un champ électrique dans une configuration semblable à un rotor qui est ensuite mis dans un mouvement de rotation soutenu de plus de 10 tours par seconde.
Depuis 7 ans, les scientifiques tentent de construire synthétiquement de tels nanomoteurs rotatifs à partir de zéro. Dans cette étude, les scientifiques ont utilisé une technique appelée origami d'ADN qui utilise les interactions spécifiques entre les paires de bases d'ADN complémentaires pour construire des nano-objets 2D et 3D.
Le flux d'eau et d'ions alimente les rotors. Ceci est établi en appliquant une tension ou, plus simplement, en ayant deux côtés de la membrane avec des teneurs en sel différentes. Cette dernière est l'une des sources d'énergie les plus abondantes de la biologie et alimente plusieurs fonctions cruciales comme la propulsion cellulaire et la fabrication de carburant cellulaire.
Les scientifiques ont noté, "Cette réalisation est une étape importante, car il s'agit de la toute première réalisation expérimentale de rotors actifs pilotés par flux à l'échelle nanométrique."
Les scientifiques ont été perplexes après avoir observé les rotations : comment des bâtonnets d'ADN aussi simples pouvaient-ils présenter ces belles rotations soutenues ?
Ils ont résolu le puzzle lors de discussions avec le théoricien Ramin Golestanian et son équipe de l'Institut Max Planck pour la dynamique et l'auto-organisation à Göttingen. Ils ont trouvé le fascinant processus d'auto-organisation à travers un système nouvellement modélisé où les faisceaux se déforment spontanément en rotors chiraux qui se couplent ensuite au flux des nanopores.
Elle a dit, « Ce processus d'auto-organisation montre vraiment la beauté de la simplicité. Mais l'importance de ce travail ne s'arrête pas à ce simple rotor lui-même. La technique et le mécanisme physique sous-jacents établissent une toute nouvelle direction dans la construction de nanomoteurs synthétiques : les nanomoteurs pilotés par flux turbines, un domaine étonnamment inexploré par les scientifiques et les ingénieurs.
"Vous seriez surpris du peu de connaissances et de réalisations que nous avons réalisées pour construire de telles nano-turbines pilotées par le flux, en particulier compte tenu des connaissances millénaires que nous avons sur la construction de leurs homologues à grande échelle et des rôles essentiels qu'elles remplissent dans la vie elle-même."
Les scientifiques ont ensuite fait une avancée significative : ils ont conçu la turbine à l'échelle nanométrique en utilisant les connaissances acquises après avoir développé un rotor auto-organisé.
Elle a dit, "Comme la façon dont la science et les technologies fonctionnent toujours, nous sommes partis d'un simple moulin à vent, nous pouvons maintenant recréer les beaux moulins à vent hollandais, mais cette fois avec une taille de seulement 25 nm, la taille d'un seul protéines dans votre corps, et ils ont démontré leur capacité à porter des charges.
Cees Dekker, qui a supervisé la recherche, a déclaré : « Et maintenant, le sens de rotation était défini par la chiralité conçue. Turbines à gauche tournées dans le sens des aiguilles d'une montre; les droitiers tournaient dans le sens inverse des aiguilles d'une montre.
Elle a affirmé Valérie Plante., « En plus de mieux comprendre et imiter les protéines motrices telles que la FoF1-ATP synthase, les résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour l'ingénierie de la robotique active à l'échelle nanométrique. Ce que nous avons démontré ici est un moteur à l'échelle nanométrique qui est vraiment capable de transduire de l'énergie et de faire du travail. Vous pourriez faire une analogie avec la première invention de la machine à vapeur au 18ème siècle. Qui aurait pu prédire alors comment elle a fondamentalement changé nos sociétés ? Nous pourrions être dans une phase similaire maintenant avec ces nanomoteurs moléculaires. Le potentiel est illimité, mais il reste encore beaucoup de travail à faire.
Journal de référence:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Rotation unidirectionnelle soutenue d'un rotor d'ADN auto-organisé sur un nanopore. Nat. Physique. (2022). EST CE QUE JE: 10.1038 / s41567-022-01683-z
