Geïnspireerd door iconische Nederlandse windmolens en biologische motoreiwitten hebben wetenschappers van de TU Delft 's werelds kleinste, zelfconfigurerende flow-driven motoren ontwikkeld op basis van DNA. Deze door stroming aangedreven rotor zet energie van een elektrische of zoutgradiënt om in nuttig mechanisch werk.
Dr. Xin Shi, een postdoctoraal onderzoeker in het lab van professor Cees Dekker op de afdeling Bionanoscience van Technische Universiteit Delft (TU Delft), zei: “Roterende motoren zijn al millennia de krachtpatsers van menselijke samenlevingen. Deze rotatiemotoren, aangedreven door een stroming, komen ook voor in cellen die moeten werken. Maar de synthetische constructie op nanoschaal is tot nu toe ongrijpbaar gebleven.”
“Onze flow-aangedreven motor is gemaakt van DNA materiaal. In een dun membraan zit deze structuur vast in een nanoporie, een kleine opening. De DNA-bundel van slechts 7 nanometer dik ordent zichzelf onder een elektrisch veld tot een rotorachtige configuratie die vervolgens in een aanhoudende roterende beweging van meer dan 10 omwentelingen per seconde wordt gebracht.”
Al 7 jaar proberen wetenschappers dergelijke roterende nanomotoren vanaf het begin synthetisch te bouwen. In deze studie gebruikten wetenschappers een techniek genaamd DNA-origami die de specifieke interacties tussen complementaire DNA-basenparen gebruikt om 2D- en 3D-nano-objecten te construeren.
De water- en ionenstroom leveren stroom voor de rotoren. Dit wordt tot stand gebracht door het aanleggen van spanning of, eenvoudiger, door twee zijden van het membraan te hebben met verschillende zoutgehaltes. De laatste is een van de meest voorkomende energiebronnen in de biologie en voedt verschillende cruciale functies zoals celvoortstuwing en de productie van cellulaire brandstof.
Wetenschappers merkten op, "Deze prestatie is een mijlpaal, want het is de allereerste experimentele realisatie van door stroming aangedreven actieve rotoren op nanoschaal."
Wetenschappers waren verbaasd na het observeren van de rotaties: hoe konden zulke eenvoudige DNA-staafjes deze mooie, aanhoudende rotaties vertonen?
Ze losten de puzzel op in gesprekken met theoreticus Ramin Golestanian en zijn team van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen. Ze ontdekten het fascinerende zelforganisatieproces via een nieuw gemodelleerd systeem waarbij de bundels spontaan vervormen tot chirale rotoren die vervolgens koppelen aan de stroom van de nanoporiën.
Ze zei, “Dit zelforganisatieproces laat echt de schoonheid van eenvoud zien. Maar het belang van dit werk stopt niet bij deze eenvoudige rotor zelf. De techniek en het fysieke mechanisme erachter bepalen een geheel nieuwe richting voor het bouwen van synthetische nanomotoren: flow-driven nano turbines, een verrassend onontgonnen terrein door wetenschappers en ingenieurs.”
"Je zou verbaasd zijn hoe weinig we wisten en bereikten met het bouwen van dergelijke door stroom aangedreven nanoturbines, vooral gezien de millennia-oude kennis die we hebben over het bouwen van hun tegenhangers op macroschaal en de cruciale rol die ze vervullen in het leven zelf."
Wetenschappers maakten vervolgens een belangrijke stap vooruit: ze ontwierpen de turbine op nanoschaal met behulp van kennis die was verkregen na het ontwikkelen van een zelfgeorganiseerde rotor.
Ze zei, “Zoals hoe wetenschap en technologie altijd werken, zijn we begonnen met een eenvoudig pinwheel, nu kunnen we de prachtige Nederlandse windmolens nabootsen, maar deze keer met een grootte van slechts 25 nm, de grootte van een enkele eiwit in je lichaam, en ze toonden hun vermogen om lasten te dragen.”
Cees Dekker, die het onderzoek begeleidde, zei: “En nu werd de draairichting bepaald door de ontworpen chiraliteit. Linkshandige turbines met de klok mee gedraaid; rechtshandigen tegen de klok in gedraaid.”
Ze zei, "Naast een beter begrip en het nabootsen van motoreiwitten zoals FoF1-ATP-synthase, openen de resultaten nieuwe perspectieven voor de engineering van actieve robotica op nanoschaal. Wat we hier hebben gedemonstreerd, is een motor op nanoschaal die echt in staat is om energie om te zetten en werk te doen. Je zou een analogie kunnen trekken met de eerste uitvinding van de stoommachine in de 18e eeuw. Wie had toen kunnen voorspellen hoe het onze samenlevingen fundamenteel veranderde? We bevinden ons nu misschien in een vergelijkbare fase met deze moleculaire nanomotoren. Het potentieel is onbeperkt, maar er is nog veel werk aan de winkel.”
Journal Reference:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Aanhoudende unidirectionele rotatie van een zelfgeorganiseerde DNA-rotor op een nanopore. nat. Fysio. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
