Terinspirasi oleh kincir angin Belanda yang ikonik dan protein motor biologis, para ilmuwan dari Delft University of Technology telah mengembangkan motor penggerak aliran terkecil di dunia yang dapat dikonfigurasi sendiri dari DNA. Rotor yang digerakkan oleh aliran ini mengubah energi dari gradien listrik atau garam menjadi kerja mekanis yang berguna.
Xin Shi, seorang peneliti postdoctoral di lab profesor Cees Dekker di departemen Bionanoscience di Delft University of Technology (TU Delft), mengatakan, “Motor putar telah menjadi pusat kekuatan masyarakat manusia selama ribuan tahun. Motor putar ini, digerakkan oleh aliran, juga ditampilkan dalam sel yang perlu dioperasikan. Tapi konstruksi sintetik pada skala nano sejauh ini tetap sulit dipahami.”
“Motor penggerak aliran kami terbuat dari DNA bahan. Dalam membran tipis, struktur ini dipasang ke nanopori, lubang kecil. Kumpulan DNA dengan ketebalan hanya 7 nanometer mengatur diri sendiri di bawah medan listrik menjadi konfigurasi seperti rotor yang kemudian diatur menjadi gerakan berputar berkelanjutan lebih dari 10 putaran per detik.
Selama 7 tahun, para ilmuwan telah mencoba membuat motor nano putar secara sintetik dari awal. Dalam studi ini, para ilmuwan menggunakan teknik yang disebut origami DNA yang menggunakan interaksi spesifik antara pasangan basa DNA komplementer untuk membangun objek nano 2D dan 3D.
Aliran air dan ion memberikan daya untuk rotor. Ini ditetapkan dengan menerapkan tegangan atau, lebih sederhananya, dengan memiliki dua sisi membran dengan kandungan garam yang berbeda. Yang terakhir adalah salah satu sumber energi biologi yang paling melimpah dan memicu beberapa fungsi penting seperti penggerak sel dan pembuatan bahan bakar seluler.
Para ilmuwan mencatat, “Pencapaian ini merupakan tonggak sejarah, karena ini merupakan realisasi eksperimental pertama dari rotor aktif yang digerakkan aliran pada skala nano.”
Para ilmuwan dibuat bingung setelah mengamati rotasi: bagaimana mungkin batang DNA yang begitu sederhana menunjukkan rotasi yang bagus dan berkelanjutan ini?
Mereka memecahkan teka-teki tersebut dalam diskusi dengan ahli teori Ramin Golestanian dan timnya di Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization di Göttingen. Mereka menemukan proses pengorganisasian diri yang menakjubkan melalui sistem yang baru dimodelkan di mana bundel secara spontan berubah bentuk menjadi rotor kiral yang kemudian berpasangan dengan aliran dari nanopori.
Dia mengatakan, “Proses pengorganisasian diri ini benar-benar menunjukkan keindahan dari kesederhanaan. Namun pentingnya pekerjaan ini tidak berhenti pada rotor sederhana itu sendiri. Teknik dan mekanisme fisik di baliknya menetapkan arah yang sama sekali baru dalam membangun motor nano sintetik: nano yang digerakkan oleh aliran turbin, bidang yang secara mengejutkan belum dijelajahi oleh para ilmuwan dan insinyur.”
“Anda akan terkejut betapa sedikitnya yang kami ketahui dan capai dalam membangun turbin nano yang digerakkan oleh aliran, terutama mengingat pengetahuan ribuan tahun yang kami miliki dalam membangun mitra skala makro mereka dan peran penting yang mereka penuhi dalam kehidupan itu sendiri.”
Para ilmuwan selanjutnya membuat kemajuan yang signifikan: mereka merancang turbin berskala nano menggunakan pengetahuan yang diperoleh setelah mengembangkan rotor yang dapat diatur sendiri.
Dia mengatakan, “Seperti bagaimana sains dan teknologi selalu bekerja, kami mulai dari kincir sederhana, sekarang dapat membuat ulang kincir angin Belanda yang indah, tetapi kali ini dengan ukuran hanya 25 nm, ukuran satu protein dalam tubuh Anda, dan mereka mempertunjukkan kesanggupan mereka untuk membawa beban.”
Cees Dekker, yang mengawasi penelitian tersebut, mengatakan, “Dan sekarang, arah rotasi ditentukan oleh kiralitas yang dirancang. Turbin kidal diputar searah jarum jam; yang tangan kanan diputar berlawanan arah jarum jam.”
Dia tersebut, “Di samping pemahaman yang lebih baik dan meniru protein motor seperti sintase FoF1-ATP, hasilnya membuka perspektif baru untuk merekayasa robotika aktif pada skala nano. Apa yang telah kami tunjukkan di sini adalah mesin berskala nano yang benar-benar mampu mentransduksi energi dan melakukan kerja. Anda bisa menggambar analogi dengan penemuan pertama mesin uap di abad ke-18. Siapa yang bisa meramalkan bagaimana hal itu secara fundamental mengubah masyarakat kita? Kita mungkin berada dalam fase yang sama sekarang dengan motor nano molekuler ini. Potensinya tidak terbatas, tetapi masih banyak pekerjaan yang harus dilakukan.”
Referensi Jurnal:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Rotasi searah berkelanjutan dari rotor DNA yang diatur sendiri pada nanopori. Nat. fisik. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
