象徴的なオランダの風車と生物学的モーター タンパク質に着想を得て、デルフト工科大学の科学者は、DNA から世界最小の自己構成フロー駆動モーターを開発しました。 このフロー駆動ローターは、電気または塩勾配からのエネルギーを有用な機械的仕事に変換します。
Dr. Xin Shi、生物ナノ科学部門の Cees Dekker 教授の研究室のポスドク研究員 デルフト工科大学 (デルフト工科大学) は、次のように述べています。 「ロータリーモーターは、何千年もの間、人間社会の動力源でした。 流れによって駆動されるこれらの回転モーターは、動作する必要があるセルにも組み込まれています。 しかし、ナノスケールでの合成構造は、これまでのところとらえどころのないままです。」
「私たちの流体駆動モーターは、 DNA 素材。 薄い膜では、この構造は小さな開口部であるナノポアにドッキングされています。 わずか 7 ナノメートルの厚さの DNA 束は、電場の下で自己組織化してローターのような構成になり、その後、毎秒 10 回転以上の持続的な回転運動に設定されます。」
7 年間、科学者たちはそのような回転ナノモーターをゼロから合成的に構築しようとしてきました。 この研究では、科学者は、相補的な DNA 塩基対間の特定の相互作用を使用して 2D および 3D ナノオブジェクトを構築する DNA 折り紙と呼ばれる手法を使用しました。
水とイオンの流れがローターに動力を供給します。 これは、電圧を印加することによって、またはより簡単に言えば、塩分含有量が異なる膜の両面を持つことによって確立されます。 後者は、生物学の最も豊富なエネルギー源の XNUMX つであり、細胞推進や細胞燃料の製造など、いくつかの重要な機能に燃料を供給します。
科学者たちは、 「この成果はマイルストーンです。これは、ナノスケールでの流れ駆動型アクティブ ローターを初めて実験的に実現したものだからです。」
回転を観察した後、科学者は困惑しました。なぜ、このような単純な DNA ロッドが、このような持続的な回転を示すのでしょうか?
彼らは、ゲッティンゲンにあるマックス プランク ダイナミクスおよび自己組織化研究所の理論家ラミン ゴレスタニアンと彼のチームとの話し合いでパズルを解きました。 彼らは、新しくモデル化されたシステムを通じて、束が自然に変形してキラルローターになり、ナノ細孔からの流れに結合するという魅力的な自己組織化プロセスを発見しました。
彼女は言った 「この自己組織化プロセスは、シンプルさの美しさを真に示しています。 しかし、この作品の重要性は、この単純なローター自体にとどまりません。 その背後にある技術と物理的メカニズムは、合成ナノモーターを構築するまったく新しい方向性を確立します: フロー駆動型ナノ タービン、科学者やエンジニアによって驚くほど未開拓の分野です。」
「私たちがそのような流れ駆動型ナノ タービンを構築することをほとんど知らず、達成できなかったことは驚くことでしょう。特に、マクロスケールのカウンターパートを構築することについて何千年も前から持っている知識と、それらが生命そのもので果たす重要な役割を考えると、驚くでしょう。」
次に、科学者たちは大きな進歩を遂げました。彼らは、自己組織化されたローターを開発した後に得られた知識を使用して、ナノスケールのタービンを設計しました。
彼女は言った 「科学と技術が常にどのように機能するかのように、私たちは単純な風車から始めました。今では美しいオランダの風車を再現できますが、今回はわずか 25 nm のサイズで、XNUMX つのシングルのサイズです。 あなたの体のタンパク質、そして彼らは荷物を運ぶ能力を示しました。」
研究を監督した Cees Dekker 氏は、次のように述べています。 「そして今、設計されたカイラリティによって回転方向が設定されました。 左利きのタービンは時計回りに回転します。 右利きの人は反時計回りに回転します。」
彼女 と, 「FoF1-ATPシンターゼなどのモータータンパク質の理解と模倣に加えて、結果はナノスケールでのアクティブロボット工学の新しい展望を開きます。 ここで実証したのは、本当にエネルギーを変換して仕事をすることができるナノスケールのエンジンです。 18 世紀の最初の蒸気機関の発明にたとえることができます。 それが私たちの社会を根本的に変える方法を誰が予測できたでしょうか？ 私たちは今、これらの分子ナノモーターで同様の段階にあるのかもしれません。 可能性は無限ですが、やるべきことはまだたくさんあります。」
ジャーナルリファレンス：
- Shi, X.、Pumm、AK.、Isensee、J.ら。 ナノポア上の自己組織化 DNA ローターの持続的な一方向回転。 Nat。 Phys。 （2022）。 DOI： 10.1038 / s41567-022-01683-z
