בהשראת טחנות רוח הולנדיות אייקוניות וחלבוני מוטוריים ביולוגיים, מדענים מאוניברסיטת דלפט לטכנולוגיה פיתחו את המנועים הקטנים בעולם, בעלי תצורה עצמית, מונעי זרימה מ-DNA. הרוטור מונע הזרימה הזה ממיר אנרגיה משיפוע חשמלי או מלח לעבודה מכנית שימושית.
ד"ר שין שי, חוקר פוסט-דוקטורט במעבדתו של פרופסור סי דקר במחלקה למדעי הביוננו ב- אוניברסיטת דלפט (TU Delft), אמר, "מנועים סיבוביים היו מוקדי הכוח של החברות האנושיות במשך אלפי שנים. מנועים סיבוביים אלה, המונעים על ידי זרימה, מופיעים גם בתאים שצריכים לפעול. אבל הבנייה הסינתטית בקנה מידה ננו נשאר עד כה חמקמקה".
"המנוע מונע הזרימה שלנו עשוי ממנו ה-DNA חוֹמֶר. בקרום דק, מבנה זה מעוגן על ננופורה, פתח זעיר. צרור ה-DNA בעובי של 7 ננומטר בלבד מתארגן בעצמו תחת שדה חשמלי לתצורה דמוית רוטור, שלאחר מכן נקבעת לתנועה סיבובית מתמשכת של יותר מ-10 סיבובים לשנייה".
במשך 7 שנים, מדענים מנסים לבנות באופן סינטטי ננו-מנועים סיבוביים כאלה מאפס. במחקר זה, מדענים השתמשו בטכניקה הנקראת אוריגמי DNA המשתמשת באינטראקציות הספציפיות בין זוגות בסיסים משלימים של DNA כדי לבנות ננו-אובייקטים דו-ממדיים ותלת-ממדיים.
זרימת המים והיונים מספקים כוח לרוטורים. זה נקבע על ידי הפעלת מתח או, יותר פשוט, על ידי שני צדדים של הממברנה עם תכולת מלח שונה. האחרון הוא אחד ממקורות האנרגיה הנפוצים ביותר של הביולוגיה ומזין מספר פונקציות חיוניות כמו הנעת תאים וייצור דלק סלולרי.
מדענים ציינו, "הישג זה הוא אבן דרך, שכן זהו המימוש הניסיוני הראשון אי פעם של רוטורים פעילים מונעי זרימה בננומטרים."
מדענים היו מבולבלים לאחר שצפו בסיבובים: כיצד יכלו מוטות DNA פשוטים כל כך להציג את הסיבובים הנחמדים והממושכים האלה?
הם פתרו את החידה בדיונים עם התיאורטיקן רמין גולסטניאן וצוותו במכון מקס פלנק לדינמיקה וארגון עצמי בגטינגן. הם מצאו את תהליך הארגון העצמי המרתק באמצעות מערכת חדשנית שבה הצרורות מתעוותות באופן ספונטני לרוטורים כיראליים שמתחברים לזרימה מהננופוריות.
היא אמרה, "תהליך הארגון העצמי הזה באמת מראה את היופי שבפשטות. אבל החשיבות של עבודה זו אינה נעצרת ברוטור הפשוט הזה עצמו. הטכניקה והמנגנון הפיזי שמאחוריו מבססים כיוון חדש לחלוטין של בניית ננו-מנועים סינתטיים: ננו מונע זרימה טורבינות, תחום שלא נחקר באופן מפתיע על ידי מדענים ומהנדסים."
"תופתעו כמה מעט ידענו והשגנו בניית טורבינות ננו מונעות זרימה כאלה, במיוחד לאור הידע בן אלפי השנים שיש לנו על בניית מקבילותיהן בקנה מידה מאקרו והתפקידים הקריטיים שהם ממלאים בחיים עצמם."
לאחר מכן, המדענים עשו התקדמות משמעותית: הם תכננו את הטורבינה הננומטרית תוך שימוש בידע שהושג לאחר פיתוח רוטור מאורגן בעצמו.
היא אמרה, "כמו איך שמדע וטכנולוגיות עובדים תמיד, התחלנו מגלגלת פשוט, עכשיו יכולים לשחזר את טחנות הרוח ההולנדיות היפות, אבל הפעם עם גודל של 25 ננומטר בלבד, בגודל של יחיד אחד חלבון בגוף שלך, והם הוכיחו את יכולתם לשאת משאות".
סי דקר, שפיקחה על המחקר, אמרה, "ועכשיו, כיוון הסיבוב נקבע על ידי הכירליות המעוצבת. טורבינות שמאליות הסתובבו בכיוון השעון; ימניים הסתובבו נגד כיוון השעון."
היא אמר, "לצד הבנה טובה יותר וחיקוי חלבונים מוטוריים כגון FoF1-ATP synthase, התוצאות פותחות נקודות מבט חדשות להנדסת רובוטיקה פעילה בקנה מידה ננו. מה שהדגמנו כאן הוא מנוע ננומטרי שבאמת מסוגל להעביר אנרגיה ולעשות עבודה. אפשר לצייר אנלוגיה להמצאה הראשונה של מנוע הקיטור במאה ה-18. מי יכול היה לחזות אז איך זה שינה מהיסוד את החברות שלנו? יכול להיות שאנחנו נמצאים בשלב דומה עכשיו עם הננו-מנועים המולקולריים האלה. הפוטנציאל הוא בלתי מוגבל, אבל יש עוד הרבה עבודה לעשות".
עיון ביומן:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. סיבוב חד כיווני מתמשך של רוטור DNA מאורגן בעצמו על ננופור. נאט. פיז. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
