네덜란드의 상징적인 풍차와 생물학적 모터 단백질에서 영감을 받은 델프트 공과대학의 과학자들은 DNA를 이용해 세계에서 가장 작고 자체 구성되는 흐름 구동 모터를 개발했습니다. 이 흐름 구동 로터는 전기 또는 염분 구배의 에너지를 유용한 기계 작업으로 변환합니다.
바이오나노과학부 Cees Dekker 교수 연구실의 박사후 연구원인 Xin Shi 박사 델프트 기술 대학교 (TU 델프트)는 이렇게 말했습니다. “회전 모터는 수천 년 동안 인류 사회의 원동력이었습니다. 흐름에 의해 구동되는 이러한 회전 모터는 작동해야 하는 셀에도 적용됩니다. 그러나 나노 규모의 합성 구조는 지금까지 파악하기 어려운 상태로 남아 있습니다.”
“우리의 흐름 구동 모터는 DNA 재료. 얇은 막에서 이 구조는 작은 구멍인 나노기공에 도킹됩니다. 두께가 7나노미터에 불과한 DNA 다발은 전기장 하에서 회전자와 같은 구성으로 자가 조직되며, 이후 초당 10회전 이상의 지속적인 회전 운동을 하게 됩니다.”
7년 동안 과학자들은 이러한 회전식 나노모터를 처음부터 합성적으로 제작하려고 노력해 왔습니다. 이 연구에서 과학자들은 상보적인 DNA 염기쌍 사이의 특정 상호작용을 사용하여 2D 및 3D 나노 물체를 만드는 DNA 종이접기라는 기술을 사용했습니다.
물과 이온 흐름은 로터에 전력을 공급합니다. 이는 전압을 적용하거나 더 간단하게는 염 함량이 다른 막의 양면을 가짐으로써 설정됩니다. 후자는 생물학에서 가장 풍부한 에너지원 중 하나이며 세포 추진 및 세포 연료 제조와 같은 몇 가지 중요한 기능에 연료를 공급합니다.
과학자들은 다음과 같이 말했습니다. "이 성과는 나노 규모에서 흐름 구동 능동 로터를 최초로 실험적으로 구현한 것이기 때문에 획기적인 것입니다."
과학자들은 회전을 관찰한 후 의아해했습니다. 어떻게 그렇게 단순한 DNA 막대가 이렇게 훌륭하고 지속적인 회전을 나타낼 수 있습니까?
그들은 괴팅겐에 있는 막스 플랑크 역학 및 자기 조직 연구소의 이론가 Ramin Golestanian과 그의 팀과의 토론을 통해 퍼즐을 풀었습니다. 그들은 다발이 카이랄 로터로 자발적으로 변형된 다음 나노 기공의 흐름과 결합되는 새로 모델링된 시스템을 통해 매혹적인 자기 조직화 과정을 발견했습니다.
그녀는 말했다 “이 자체 구성 프로세스는 단순함의 아름다움을 보여줍니다. 하지만 이 작업의 중요성은 이 단순한 로터 자체에 그치지 않습니다. 그 뒤에 있는 기술과 물리적 메커니즘은 합성 나노모터를 구축하는 완전히 새로운 방향, 즉 흐름 기반 나노를 확립합니다. 터빈, 과학자와 엔지니어가 놀랍게도 미개척 분야입니다.”
"특히 우리가 거시적 규모의 터빈을 구축하는 데 대해 가지고 있는 수천 년 된 지식과 그것이 삶 자체에서 수행하는 중요한 역할을 고려할 때 이러한 흐름 구동 나노 터빈을 구축하는 데 대한 지식과 성취가 얼마나 적었는지 놀랄 것입니다."
다음으로 과학자들은 상당한 발전을 이루었습니다. 그들은 자체 조직화된 로터를 개발한 후 얻은 지식을 사용하여 나노 규모 터빈을 설계했습니다.
그녀는 말했다 “과학과 기술이 항상 작동하는 것처럼, 우리는 단순한 바람개비에서 시작하여 이제 아름다운 네덜란드 풍차를 재현할 수 있지만 이번에는 단 하나의 크기인 25nm의 크기로 만들었습니다. 몸속의 단백질, 그리고 그들은 짐을 운반하는 능력을 보여주었습니다.”
연구를 감독한 Cees Dekker는 다음과 같이 말했습니다. “그리고 이제 회전 방향은 설계된 키랄성에 의해 설정되었습니다. 왼손잡이 터빈은 시계 방향으로 회전합니다. 오른 손잡이는 시계 반대 방향으로 회전했습니다.”
그녀 말했다, “FoF1-ATP 신타제와 같은 모터 단백질을 더 잘 이해하고 모방하는 것 외에도 이번 결과는 나노 규모의 능동 로봇 공학 엔지니어링에 대한 새로운 관점을 열어줍니다. 우리가 여기서 시연한 것은 실제로 에너지를 변환하고 작업을 수행할 수 있는 나노 규모 엔진입니다. 18세기 증기기관의 최초 발명에 비유할 수 있습니다. 그렇다면 그것이 우리 사회를 어떻게 근본적으로 변화시킬지 예측할 수 있었겠습니까? 우리는 현재 이러한 분자 나노모터와 비슷한 단계에 있을 수 있습니다. 잠재력은 무한하지만 아직 해야 할 일이 많습니다.”
저널 참조 :
- Shi, X., Pumm, AK., Iensee, J. et al. 나노 기공에서 자체 조직된 DNA 로터의 지속적인 단방향 회전. Nat. 물리. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
