Inspirați de morile de vânt olandeze emblematice și proteinele motrice biologice, oamenii de știință de la Universitatea de Tehnologie Delft au dezvoltat cele mai mici motoare din lume, auto-configurabile, conduse de flux din ADN. Acest rotor condus de flux transformă energia dintr-un gradient electric sau de sare în lucru mecanic util.
Dr. Xin Shi, cercetător postdoctoral în laboratorul profesorului Cees Dekker din departamentul de Bionanoscience de la Universitatea de Tehnologie din Delft (TU Delft), a spus, „Motoarele rotative au fost puterile societăților umane de milenii. Aceste motoare rotative, conduse de un flux, sunt prezente și în celule care trebuie să funcționeze. Dar construcția sintetică la scară nanometrică a rămas până acum evazivă.”
„Motorul nostru condus de flux este fabricat din ADN-ul material. Într-o membrană subțire, această structură este fixată pe un nanopor, o deschidere mică. Pachetul de ADN de numai 7 nanometri grosime se autoorganizează sub un câmp electric într-o configurație asemănătoare rotorului, care ulterior este pusă într-o mișcare de rotație susținută de mai mult de 10 rotații pe secundă.”
De 7 ani, oamenii de știință au încercat să construiască sintetic astfel de nanomotoare rotative de la zero. În acest studiu, oamenii de știință au folosit o tehnică numită origami ADN care utilizează interacțiunile specifice dintre perechile de baze ADN complementare pentru a construi nano-obiecte 2D și 3D.
Fluxul de apă și ioni asigură putere rotoarelor. Acest lucru se stabilește prin aplicarea tensiunii sau, mai simplu, prin a avea două laturi ale membranei cu conținut diferit de sare. Acesta din urmă este una dintre cele mai abundente surse de energie din biologie și alimentează mai multe funcții cruciale, cum ar fi propulsia celulară și fabricarea combustibilului celular.
Oamenii de știință au remarcat, „Această realizare este o piatră de hotar, deoarece este prima realizare experimentală a rotoarelor active conduse de flux la scară nanometrică.”
Oamenii de știință au fost nedumeriți după ce au observat rotațiile: cum ar putea astfel de tije ADN simple să prezinte aceste rotații frumoase și susținute?
Ei au rezolvat puzzle-ul în discuții cu teoreticianul Ramin Golestanian și echipa sa de la Institutul Max Planck pentru dinamică și autoorganizare din Göttingen. Ei au descoperit fascinantul proces de auto-organizare printr-un sistem nou modelat în care fasciculele se deformează spontan în rotoare chirale care apoi se cuplează cu fluxul din nanopori.
Ea a spus, „Acest proces de auto-organizare arată cu adevărat frumusețea simplității. Dar importanța acestei lucrări nu se oprește la acest simplu rotor în sine. Tehnica și mecanismul fizic din spatele acesteia stabilesc o direcție cu totul nouă de construire a nanomotoarelor sintetice: nano-driven flux. turbine, un domeniu surprinzător de neexplorat de oameni de știință și ingineri.”
„Ați fi surprins cât de puțin am știut și am realizat construirea unor astfel de nanoturbine conduse de flux, mai ales având în vedere cunoștințele vechi de milenii pe care le avem despre construirea omologilor lor la scară macro și rolurile critice pe care le îndeplinesc în viața însăși.”
Oamenii de știință au făcut apoi un progres semnificativ: au proiectat turbina la scară nanometrică folosind cunoștințele obținute după dezvoltarea unui rotor auto-organizat.
Ea a spus, „Așa cum funcționează întotdeauna știința și tehnologiile, am pornit de la un simplu pinwheel, acum putem recrea frumoasele mori de vânt olandeze, dar de data aceasta cu o dimensiune de doar 25 nm, dimensiunea unei singure. proteine din corpul tăuși și-au demonstrat capacitatea de a transporta încărcături.”
Cees Dekker, care a supravegheat cercetarea, a spus: „Și acum, direcția de rotație a fost stabilită de chiralitatea proiectată. Turbinele stângaci se roteau în sensul acelor de ceasornic; cele dreptaci se roteau în sens invers acelor de ceasornic.”
Ea a spus, „Pe lângă o mai bună înțelegere și imitare a proteinelor motorii, cum ar fi FoF1-ATP sintaza, rezultatele deschid noi perspective pentru proiectarea roboticii active la scară nanometrică. Ceea ce am demonstrat aici este un motor la scară nanometrică care este cu adevărat capabil să transduce energia și să lucreze. Ai putea face o analogie cu prima invenție a motorului cu abur din secolul al XVIII-lea. Cine ar fi putut prezice atunci cum a schimbat fundamental societățile noastre? Am putea fi într-o fază similară acum cu acești nanomotoare moleculare. Potențialul este nelimitat, dar mai este mult de lucru.”
Referința jurnalului:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. şi colab. Rotația unidirecțională susținută a unui rotor ADN auto-organizat pe un nanopor. Nat. Fizic. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
