Inspirert av ikoniske nederlandske vindmøller og biologiske motorproteiner, har forskere fra Delft University of Technology utviklet verdens minste, selvkonfigurerende strømningsdrevne motorer fra DNA. Denne strømningsdrevne rotoren konverterer energi fra en elektrisk eller saltgradient til nyttig mekanisk arbeid.
Dr. Xin Shi, en postdoktor i professor Cees Dekkers laboratorium i Bionanoscience-avdelingen kl. Delft University of Technology (TU Delft), sa, "Roterende motorer har vært kraftsentrene i menneskelige samfunn i årtusener. Disse roterende motorene, drevet av en strøm, finnes også i celler som må fungere. Men den syntetiske konstruksjonen på nanoskala har så langt forblitt unnvikende.»
"Vår strømningsdrevne motor er laget av DNA materiale. I en tynn membran er denne strukturen forankret til en nanopore, en liten åpning. DNA-bunten på bare 7 nanometer tykkelse organiserer seg selv under et elektrisk felt til en rotorlignende konfigurasjon som deretter settes inn i en vedvarende rotasjonsbevegelse på mer enn 10 omdreininger per sekund."
I 7 år har forskere forsøkt å syntetisk bygge slike roterende nanomotorer fra bunnen av. I denne studien brukte forskere en teknikk kalt DNA-origami som bruker de spesifikke interaksjonene mellom komplementære DNA-basepar for å konstruere 2D- og 3D-nanoobjekter.
Vann- og ionestrømmen gir kraft til rotorene. Dette etableres ved å påføre spenning eller, enklere, ved å ha to sider av membranen med forskjellig saltinnhold. Sistnevnte er en av biologiens mest rike energikilder og driver flere viktige funksjoner som cellefremdrift og produksjon av cellulært brensel.
Forskere bemerket, "Denne prestasjonen er en milepæl, siden det er den første eksperimentelle realiseringen av strømningsdrevne aktive rotorer på nanoskala."
Forskere ble forvirret etter å ha observert rotasjonene: hvordan kunne slike enkle DNA-staver vise disse fine, vedvarende rotasjonene?
De løste gåten i diskusjoner med teoretiker Ramin Golestanian og teamet hans ved Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization i Göttingen. De fant den fascinerende selvorganiseringsprosessen gjennom et nylig modellert system der buntene spontant deformeres til kirale rotorer som deretter kobles til strømmen fra nanoporene.
Hun sa, "Denne selvorganiseringsprosessen viser virkelig skjønnheten i enkelhet. Men viktigheten av dette arbeidet stopper ikke ved selve denne enkle rotoren. Teknikken og den fysiske mekanismen bak etablerer en helt ny retning for å bygge syntetiske nanomotorer: strømningsdrevet nano turbiner, et overraskende uutforsket felt av forskere og ingeniører.»
"Du vil bli overrasket over hvor lite vi visste og oppnådde å bygge slike strømningsdrevne nanoturbiner, spesielt gitt den tusenvis gamle kunnskapen vi har om å bygge deres makroskala-motstykker og de kritiske rollene de fyller i selve livet."
Forskere gjorde deretter et betydelig fremskritt: de designet nanoskalaturbinen ved å bruke kunnskap oppnådd etter å ha utviklet en selvorganisert rotor.
Hun sa, "Som hvordan vitenskap og teknologi alltid fungerer, startet vi fra et enkelt pinwheel, nå kan vi gjenskape de vakre nederlandske vindmøllene, men denne gangen med en størrelse på bare 25 nm, størrelsen på en enkelt protein i kroppen din, og de demonstrerte sin evne til å bære last.»
Cees Dekker, som overvåket forskningen, sa: "Og nå ble rotasjonsretningen satt av den utformede kiraliteten. Venstrehendte turbiner rotert med klokken; høyrehendte roterte mot klokken."
Hun sa, "Ved siden av bedre forståelse og etterligning av motorproteiner som FoF1-ATP-syntase, åpner resultatene nye perspektiver for utvikling av aktiv robotikk på nanoskala. Det vi har demonstrert her er en nanoskalamotor som virkelig er i stand til å transdusere energi og utføre arbeid. Du kan trekke en analogi med den første oppfinnelsen av dampmaskinen på 18-tallet. Hvem kunne da ha forutsett hvordan det fundamentalt forandret våre samfunn? Vi kan være i en lignende fase nå med disse molekylære nanomotorene. Potensialet er ubegrenset, men det er fortsatt mye arbeid å gjøre.»
Tidsreferanse:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Vedvarende ensrettet rotasjon av en selvorganisert DNA-rotor på en nanopore. Nat. Fys. (2022). GJØR JEG: 10.1038 / s41567-022-01683-z
