Az ikonikus holland szélmalmok és biológiai motorfehérjék ihlette a Delfti Műszaki Egyetem tudósai DNS-ből kifejlesztették a világ legkisebb, önkonfiguráló áramlásvezérelt motorjait. Ez az áramlás által hajtott rotor az elektromos vagy sógradiensből származó energiát hasznos mechanikai munkává alakítja át.
Dr. Xin Shi, Cees Dekker professzor laboratóriumának posztdoktori kutatója a Bionanotudományi Tanszéken Delft Műszaki Egyetem (TU Delft) azt mondta, „A forgómotorok évezredek óta az emberi társadalmak erőművei. Ezek az áramlás által hajtott forgómotorok olyan cellákban is megtalálhatók, amelyeknek működniük kell. De a nanoméretű szintetikus konstrukció mindeddig megfoghatatlan.”
„Áramlásos motorunk ebből készült DNS anyag. Egy vékony membránban ez a szerkezet egy nanopórushoz, egy apró nyíláshoz van rögzítve. A mindössze 7 nanométer vastag DNS-köteg elektromos tér hatására rotorszerű konfigurációvá szerveződik, amely ezt követően tartósan, több mint 10 fordulat/másodperc sebességgel forgó mozgást végez.”
A tudósok 7 éve próbálnak szintetikusan megépíteni ilyen forgó nanomotorokat a semmiből. Ebben a tanulmányban a tudósok a DNS origami nevű technikát alkalmazták, amely a komplementer DNS bázispárok közötti specifikus kölcsönhatásokat használja 2D és 3D nanoobjektumok megalkotásához.
A víz- és ionáramlás biztosítja a forgórészek áramellátását. Ezt feszültség alkalmazásával, vagy egyszerűbben úgy állítják elő, hogy a membrán két oldala eltérő sótartalommal rendelkezik. Ez utóbbi a biológia egyik legelterjedtebb energiaforrása, és számos olyan kulcsfontosságú funkciót lát el, mint a sejthajtás és a celluláris tüzelőanyag gyártása.
A tudósok megjegyezték, "Ez az eredmény mérföldkő, mivel ez az első kísérleti megvalósítása nanoméretű áramlásvezérelt aktív rotoroknak."
A tudósok értetlenül álltak a forgások megfigyelése után: hogyan mutathatták ilyen egyszerű DNS-rudak ezeket a szép, tartós forgásokat?
Megfejtették a rejtvényt Ramin Golestanian teoretikussal és csapatával a göttingeni Max Planck Dinamikai és Önszerveződési Intézetben. Megtalálták a lenyűgöző önszerveződési folyamatot egy újonnan modellezett rendszeren keresztül, ahol a kötegek spontán módon királis rotorokká deformálódnak, amelyek aztán összekapcsolódnak a nanopórusokból származó áramlással.
Azt mondta, „Ez az önszerveződési folyamat valóban megmutatja az egyszerűség szépségét. De ennek a munkának a jelentősége nem áll meg ennél az egyszerű rotornál. A mögötte lévő technika és fizikai mechanizmus a szintetikus nanomotorok építésének egy teljesen új irányát hoz létre: az áramlásvezérelt nano-t turbinák, a tudósok és mérnökök által meglepően feltáratlan terület.”
„Meglepődne, hogy milyen keveset tudtunk és milyen keveset értünk el az ilyen áramlásvezérelt nanoturbinák megépítésében, különös tekintettel arra a több évezredes tudásunkra, amellyel rendelkezünk a makroléptékű megfelelőik építéséről, és az életben betöltött kritikus szerepükről.”
A tudósok ezután jelentős előrelépést tettek: egy önszerveződő rotor kifejlesztése után szerzett ismeretek felhasználásával megtervezték a nanoméretű turbinát.
Azt mondta, „Ahogyan a tudomány és a technológia mindig működik, mi is egy egyszerű szélkerékből indultunk ki, most újra meg tudjuk teremteni a gyönyörű holland szélmalmokat, de ezúttal mindössze 25 nm-es mérettel, egyetlen méretűvel. fehérjét a szervezetben, és bebizonyították, hogy képesek teherhordásra.”
A kutatást felügyelő Cees Dekker elmondta: „Most pedig a forgásirányt a tervezett kiralitás határozta meg. Bal oldali turbinák az óramutató járásával megegyező irányban forognak; a jobbkezesek az óramutató járásával ellentétes irányban forogtak.”
Ő mondott, „A motorfehérjék, például a FoF1-ATP szintáz jobb megértése és utánzása mellett az eredmények új távlatokat nyitnak a nanoméretű aktív robotika tervezésében. Amit itt bemutattunk, az egy nanoméretű motor, amely valóban képes energiát átalakítani és munkát végezni. Hasonlatot lehetne vonni a 18. századi gőzgép első találmányával. Ki tudta volna akkor megjósolni, hogyan változtatta meg alapvetően társadalmainkat? Hasonló fázisban lehetünk most ezekkel a molekuláris nanomotorokkal. A lehetőségek korlátlanok, de még sok a tennivaló.”
Journal Reference:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Egy önszerveződő DNS-rotor tartós egyirányú forgása nanopóruson. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
