Zainspirowani kultowymi holenderskimi wiatrakami i biologicznymi białkami motorycznymi, naukowcy z Delft University of Technology opracowali najmniejsze na świecie, samokonfigurujące się silniki napędzane przepływem z DNA. Ten napędzany przepływem wirnik przekształca energię z gradientu elektrycznego lub solnego w użyteczną pracę mechaniczną.
Dr Xin Shi, badacz ze stopniem doktora w laboratorium profesora Ceesa Dekkera na wydziale bionauki w Uniwersytet Techniczny w Delft (TU Delft), powiedział: „Silniki obrotowe od tysiącleci są siłą napędową ludzkich społeczeństw. Te obrotowe silniki, napędzane przepływem, występują również w komórkach, które muszą działać. Ale syntetyczna konstrukcja w nanoskali jak dotąd pozostawała nieuchwytna”.
„Nasz silnik napędzany przepływem jest wykonany z DNA materiał. W cienkiej membranie ta struktura jest zadokowana w nanopore, małym otworze. Wiązka DNA o grubości zaledwie 7 nanometrów samoorganizuje się pod wpływem pola elektrycznego w konfigurację podobną do wirnika, która następnie jest wprawiana w ciągły ruch obrotowy z prędkością ponad 10 obrotów na sekundę”.
Od 7 lat naukowcy próbują syntetycznie zbudować od podstaw takie obrotowe nanosilniki. W tym badaniu naukowcy wykorzystali technikę zwaną origami DNA, która wykorzystuje specyficzne interakcje między komplementarnymi parami zasad DNA do konstruowania nanoobiektów 2D i 3D.
Przepływ wody i jonów zapewnia zasilanie wirników. Uzyskuje się to poprzez przyłożenie napięcia lub prościej, mając dwie strony membrany o różnej zawartości soli. Ten ostatni jest jednym z najbardziej obfitych źródeł energii w biologii i napędza kilka kluczowych funkcji, takich jak napęd komórkowy i wytwarzanie paliwa komórkowego.
Naukowcy zauważyli, „To osiągnięcie jest kamieniem milowym, ponieważ jest to pierwsza w historii eksperymentalna realizacja aktywnych wirników napędzanych przepływem w nanoskali”.
Naukowcy byli zdziwieni po zaobserwowaniu rotacji: w jaki sposób takie proste pręciki DNA mogą wykazywać te ładne, trwałe rotacje?
Rozwiązali zagadkę w dyskusjach z teoretykiem Raminem Golestanianem i jego zespołem w Instytucie Dynamiki i Samoorganizacji Maxa Plancka w Getyndze. Odkryli fascynujący proces samoorganizacji poprzez nowo wymodelowany system, w którym wiązki spontanicznie odkształcają się w chiralne wirniki, które następnie łączą się z przepływem z nanoporów.
Powiedziała, „Ten proces samoorganizacji naprawdę pokazuje piękno prostoty. Ale znaczenie tej pracy nie kończy się na samym prostym wirniku. Stojąca za nim technika i mechanizm fizyczny wyznaczają zupełnie nowy kierunek budowy syntetycznych nanosilników: nano napędzane przepływem turbiny, zaskakująco niezbadana dziedzina przez naukowców i inżynierów”.
„Byłbyś zaskoczony, jak niewiele wiedzieliśmy i osiągnęliśmy budując takie napędzane przepływem nanoturbiny, zwłaszcza biorąc pod uwagę tysiącletnią wiedzę na temat budowania ich odpowiedników w makroskali i krytycznych ról, jakie pełnią w samym życiu”.
Następnie naukowcy dokonali znaczącego postępu: zaprojektowali turbinę w nanoskali, korzystając z wiedzy uzyskanej po opracowaniu samoorganizującego się wirnika.
Powiedziała, „Jak zawsze działa nauka i technologia, zaczynaliśmy od prostego wiatraczka, teraz możemy odtworzyć piękne holenderskie wiatraki, ale tym razem o rozmiarze zaledwie 25 nm, wielkości jednego pojedynczego białka w twoim organizmiei zademonstrowali swoją zdolność do przenoszenia ciężarów”.
Cees Dekker, który nadzorował badania, powiedział: „A teraz kierunek rotacji został ustalony przez zaprojektowaną chiralność. Turbiny leworęczne obracane zgodnie z ruchem wskazówek zegara; praworęczni obracali się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara”.
Blogerka powiedziany, „Oprócz lepszego zrozumienia i naśladowania białek motorycznych, takich jak syntaza FoF1-ATP, wyniki otwierają nowe perspektywy inżynierii aktywnej robotyki w nanoskali. To, co tutaj zademonstrowaliśmy, to silnik w nanoskali, który naprawdę jest w stanie przetwarzać energię i wykonywać pracę. Można narysować analogię do pierwszego wynalezienia maszyny parowej w XVIII wieku. Kto mógł wtedy przewidzieć, jak fundamentalnie zmieni to nasze społeczeństwa? Możemy być teraz w podobnej fazie z tymi molekularnymi nanomotorami. Potencjał jest nieograniczony, ale wciąż jest wiele do zrobienia.”
Referencje czasopisma:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. i in. Trwała jednokierunkowa rotacja samoorganizującego się rotora DNA na nanoporach. Nat. Fizyka. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
