Inspirados nos icônicos moinhos de vento holandeses e nas proteínas biológicas do motor, os cientistas da Delft University of Technology desenvolveram os menores motores autoconfigurados do mundo acionados por fluxo a partir do DNA. Este rotor acionado por fluxo converte a energia de um gradiente elétrico ou salino em trabalho mecânico útil.
Dr. Xin Shi, pesquisador de pós-doutorado no laboratório do professor Cees Dekker no departamento de Bionanoscience da Universidade de Tecnologia de Delft (TU Delft), disse, “Os motores rotativos têm sido as potências das sociedades humanas por milênios. Esses motores rotativos, acionados por um fluxo, também estão presentes em células que precisam operar. Mas a construção sintética em nanoescala até agora permaneceu indescritível.”
“Nosso motor de fluxo é feito de DNA material. Em uma membrana fina, essa estrutura é acoplada a um nanoporo, uma pequena abertura. O feixe de DNA de apenas 7 nanômetros de espessura se auto-organiza sob um campo elétrico em uma configuração semelhante a um rotor que subsequentemente é colocado em um movimento rotativo sustentado de mais de 10 revoluções por segundo.”
Por 7 anos, os cientistas tentaram construir sinteticamente tais nanomotores rotativos a partir do zero. Neste estudo, os cientistas usaram uma técnica chamada DNA origami que usa as interações específicas entre pares de bases de DNA complementares para construir nano-objetos 2D e 3D.
O fluxo de água e íons fornece energia para os rotores. Isso é estabelecido pela aplicação de tensão ou, mais simplesmente, por ter dois lados da membrana com diferentes teores de sal. Este último é uma das fontes de energia mais abundantes da biologia e alimenta várias funções cruciais, como a propulsão celular e a fabricação de combustível celular.
Os cientistas observaram, “Essa conquista é um marco, pois é a primeira realização experimental de rotores ativos acionados por fluxo em nanoescala.”
Os cientistas ficaram intrigados depois de observar as rotações: como poderiam tais bastões de DNA simples exibir essas boas e sustentadas rotações?
Eles resolveram o quebra-cabeça em discussões com o teórico Ramin Golestanian e sua equipe no Instituto Max Planck para Dinâmica e Auto-Organização em Göttingen. Eles descobriram o fascinante processo de auto-organização por meio de um sistema recém-modelado, onde os feixes se deformam espontaneamente em rotores quirais que se acoplam ao fluxo dos nanoporos.
Ela disse: “Este processo de auto-organização mostra verdadeiramente a beleza da simplicidade. Mas a importância deste trabalho não se limita a este simples rotor. A técnica e o mecanismo físico por trás dele estabelecem uma direção totalmente nova na construção de nanomotores sintéticos: nanomotores acionados por fluxo turbinas, um campo surpreendentemente inexplorado por cientistas e engenheiros.”
“Você ficaria surpreso com o quão pouco sabíamos e conseguíamos construir essas nano turbinas movidas a fluxo, especialmente considerando o conhecimento milenar que temos sobre a construção de suas contrapartes em macroescala e os papéis críticos que elas desempenham na própria vida.”
Em seguida, os cientistas fizeram um avanço significativo: projetaram a turbina em nanoescala usando o conhecimento obtido após o desenvolvimento de um rotor auto-organizado.
Ela disse: “Como a ciência e a tecnologia sempre funcionam, partimos de um simples cata-vento, agora podemos recriar os belos moinhos de vento holandeses, mas desta vez com um tamanho de apenas 25 nm, o tamanho de um único proteína em seu corpo, e demonstraram sua capacidade de carregar cargas.”
Cees Dekker, que supervisionou a pesquisa, disse: “E agora, a direção de rotação foi definida pela quiralidade projetada. Turbinas canhotas giradas no sentido horário; os destros giraram no sentido anti-horário.
Ela dito, “Ao lado de uma melhor compreensão e imitação de proteínas motoras, como FoF1-ATP sintase, os resultados abrem novas perspectivas para a engenharia de robótica ativa em nanoescala. O que demonstramos aqui é um mecanismo em nanoescala que é realmente capaz de transduzir energia e realizar trabalho. Você poderia fazer uma analogia com a primeira invenção da máquina a vapor no século XVIII. Quem poderia prever então como isso mudou fundamentalmente nossas sociedades? Podemos estar em uma fase semelhante agora com esses nanomotores moleculares. O potencial é ilimitado, mas ainda há muito trabalho a fazer.”
Jornal de referência:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Rotação unidirecional sustentada de um rotor de DNA auto-organizado em um nanoporo. Nat. Física. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
