Ispirandosi agli iconici mulini a vento olandesi e alle proteine motorie biologiche, gli scienziati dell'Università di Tecnologia di Delft hanno sviluppato dal DNA i motori a flusso più piccoli e autoconfiguranti al mondo. Questo rotore azionato dal flusso converte l'energia da un gradiente elettrico o salino in lavoro meccanico utile.
Il dottor Xin Shi, ricercatore post-dottorato nel laboratorio del professor Cees Dekker nel dipartimento di Bionanoscienze dell'Università Delft University of Technology (TU Delft), ha affermato: “I motori rotativi sono stati il motore delle società umane per millenni. Questi motori rotativi, azionati da un flusso, sono presenti anche nelle celle che devono funzionare. Ma la costruzione sintetica su scala nanometrica è rimasta finora sfuggente”.
“Il nostro motore a flusso è composto da DNA Materiale. In una membrana sottile, questa struttura è ancorata a un nanoporo, una minuscola apertura. Il fascio di DNA di soli 7 nanometri di spessore si auto-organizza sotto un campo elettrico in una configurazione simile a un rotore che successivamente viene impostato in un movimento rotatorio sostenuto di oltre 10 giri al secondo.
Per 7 anni, gli scienziati hanno cercato di costruire sinteticamente da zero tali nanomotori rotanti. In questo studio, gli scienziati hanno utilizzato una tecnica chiamata origami del DNA che utilizza le interazioni specifiche tra coppie di basi complementari del DNA per costruire nano-oggetti 2D e 3D.
Il flusso di acqua e ioni fornisce energia ai rotori. Ciò viene stabilito applicando tensione o, più semplicemente, avendo due lati della membrana con diverso contenuto di sale. Quest'ultima è una delle fonti di energia più abbondanti della biologia e alimenta diverse funzioni cruciali come la propulsione cellulare e la produzione di carburante cellulare.
Gli scienziati hanno notato, “Questo risultato rappresenta una pietra miliare, poiché è la prima realizzazione sperimentale in assoluto di rotori attivi azionati dal flusso su scala nanometrica”.
Gli scienziati erano perplessi dopo aver osservato le rotazioni: come potevano bastoncini di DNA così semplici esibire queste rotazioni piacevoli e sostenute?
Hanno risolto il puzzle discutendo con il teorico Ramin Golestanian e il suo team presso l’Istituto Max Planck per la dinamica e l’auto-organizzazione di Göttingen. Hanno scoperto l’affascinante processo di auto-organizzazione attraverso un sistema appena modellato in cui i fasci si deformano spontaneamente in rotori chirali che poi si accoppiano al flusso proveniente dai nanopori.
Ha detto, “Questo processo di auto-organizzazione mostra davvero la bellezza della semplicità. Ma l’importanza di questo lavoro non si ferma al semplice rotore in sé. La tecnica e il meccanismo fisico alla base stabiliscono una direzione completamente nuova nella costruzione di nanomotori sintetici: nanomotori guidati dal flusso Turbine, un campo sorprendentemente inesplorato da scienziati e ingegneri”.
“Saresti sorpreso di quanto poco sapevamo e quanto poco abbiamo ottenuto costruendo tali nanoturbine azionate dal flusso, soprattutto considerando la conoscenza millenaria che abbiamo sulla costruzione delle loro controparti su scala macro e i ruoli critici che svolgono nella vita stessa”.
Gli scienziati hanno poi fatto un progresso significativo: hanno progettato la turbina su scala nanometrica utilizzando le conoscenze ottenute dopo aver sviluppato un rotore auto-organizzato.
Ha detto, “Come funzionano sempre la scienza e la tecnologia, siamo partiti da una semplice girandola, ora possiamo ricreare i bellissimi mulini a vento olandesi, ma questa volta con una dimensione di soli 25 nm, la dimensione di un singolo proteine nel tuo corpo, e hanno dimostrato la loro capacità di trasportare carichi”.
Cees Dekker, che ha supervisionato la ricerca, ha detto: “E ora, la direzione di rotazione è stata stabilita dalla chiralità progettata. Le turbine mancine ruotavano in senso orario; quelli destrimani ruotavano in senso antiorario.
Lei disse, “Oltre a una migliore comprensione e imitazione delle proteine motrici come la FoF1-ATP sintasi, i risultati aprono nuove prospettive per l’ingegneria della robotica attiva su scala nanometrica. Ciò che abbiamo dimostrato qui è un motore su scala nanometrica che è veramente in grado di trasdurre energia e svolgere lavoro. Si potrebbe fare un'analogia con la prima invenzione della macchina a vapore nel XVIII secolo. Chi avrebbe potuto prevedere allora come avrebbe cambiato radicalmente le nostre società? Potremmo trovarci in una fase simile ora con questi nanomotori molecolari. Il potenziale è illimitato, ma c’è ancora molto lavoro da fare”.
Riferimento della Gazzetta:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Rotazione unidirezionale sostenuta di un rotore di DNA auto-organizzato su un nanoporo. Naz. fisica. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
