Вдохновленные культовыми голландскими ветряными мельницами и биологическими моторными белками, ученые из Технологического университета Делфта разработали самые маленькие в мире самонастраивающиеся моторы с приводом от потока на основе ДНК. Этот управляемый потоком ротор преобразует энергию электрического или солевого градиента в полезную механическую работу.
Доктор Синь Ши, научный сотрудник лаборатории профессора Сеса Деккера в отделе бионауки в Дельфтский технологический университет (TU Delft), сказал, «Роторные двигатели были электростанциями человеческого общества на протяжении тысячелетий. Эти роторные двигатели, приводимые в движение потоком, также используются в ячейках, которым необходимо работать. Но синтетическая конструкция в наномасштабе до сих пор оставалась неуловимой».
«Наш двигатель с приводом от потока изготовлен из ДНК материал. В тонкой мембране эта структура пристыкована к нанопоре, крошечному отверстию. Пучок ДНК толщиной всего 7 нанометров самоорганизуется под действием электрического поля в ротороподобную конфигурацию, которая впоследствии приводится в устойчивое вращательное движение со скоростью более 10 оборотов в секунду».
Вот уже 7 лет ученые пытаются синтетически построить такие роторные наномоторы с нуля. В этом исследовании ученые использовали метод, называемый ДНК-оригами, который использует специфические взаимодействия между комплементарными парами оснований ДНК для создания 2D и 3D нанообъектов.
Поток воды и ионов обеспечивает питание роторов. Это устанавливается приложением напряжения или, проще говоря, наличием двух сторон мембраны с разным содержанием солей. Последний является одним из самых распространенных источников энергии в биологии и питает несколько важнейших функций, таких как движение клеток и производство клеточного топлива.
Ученые отметили, «Это достижение является важной вехой, поскольку это первая экспериментальная реализация активных роторов с приводом от потока на наноуровне».
Наблюдая за вращением, ученые были озадачены: как такие простые стержни ДНК могли демонстрировать такие приятные, устойчивые вращения?
Они решили загадку в обсуждениях с теоретиком Рамином Голестаняном и его командой в Институте динамики и самоорганизации Макса Планка в Геттингене. Они обнаружили увлекательный процесс самоорганизации в недавно смоделированной системе, в которой пучки спонтанно деформируются в хиральные роторы, которые затем соединяются с потоком из нанопор.
Она сказала: «Этот процесс самоорганизации действительно демонстрирует красоту простоты. Но важность этой работы не ограничивается самим этим простым ротором. Техника и физический механизм, лежащие в ее основе, определяют совершенно новое направление создания синтетических нанодвигателей: нанодвигатели, управляемые потоком. Турбины, удивительно неисследованная область учеными и инженерами».
«Вы были бы удивлены, как мало мы знали и достигли в создании таких нанотурбин с приводом от потока, особенно с учетом тысячелетних знаний, которыми мы располагаем в отношении создания их макромасштабных аналогов и критических ролей, которые они выполняют в самой жизни».
Затем ученые сделали значительный шаг вперед: они разработали наноразмерную турбину, используя знания, полученные после разработки самоорганизующегося ротора.
Она сказала: «Подобно тому, как всегда работают наука и технологии, мы начали с простой вертушки, теперь можем воссоздать прекрасные голландские ветряные мельницы, но на этот раз с размером всего 25 нм, размером с один единственный белок в вашем теле, и они продемонстрировали свою способность переносить грузы».
Сиз Деккер, руководившая исследованием, сказала: «И теперь направление вращения было задано спроектированной хиральностью. Левосторонние турбины вращались по часовой стрелке; правосторонние повернуты против часовой стрелки».
Она — сказал, «Помимо лучшего понимания и имитации двигательных белков, таких как FoF1-АТФ-синтаза, результаты открывают новые перспективы для разработки активной робототехники в наномасштабе. Здесь мы продемонстрировали нанодвигатель, который действительно способен преобразовывать энергию и выполнять работу. Можно провести аналогию с первым изобретением паровой машины в 18 веке. Кто мог тогда предсказать, насколько коренным образом это изменило наши общества? Возможно, сейчас мы находимся в похожей фазе с этими молекулярными наномоторами. Потенциал безграничен, но предстоит еще много работы».
Справочник журнала:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Устойчивое однонаправленное вращение самоорганизующегося ДНК-ротора на нанопоре. Туземный Phys. (2022). ДОИ: 10.1038 / s41567-022-01683-г
