Po navdihu ikoničnih nizozemskih mlinov na veter in bioloških motornih proteinov so znanstveniki s tehnološke univerze v Delftu iz DNK razvili najmanjše na svetu samonastavljive motorje na pretok. Ta rotor, ki ga poganja tok, pretvarja energijo iz električnega ali solnega gradienta v koristno mehansko delo.
Xin Shi, podoktorski raziskovalec v laboratoriju profesorja Ceesa Dekkerja na oddelku za bionanoznanost pri Dr. Tehnološka univerza v Delftu (TU Delft), je dejal, »Rotacijski motorji so bili tisočletja pogonska sila človeških družb. Ti rotacijski motorji, ki jih poganja tok, so tudi v celicah, ki morajo delovati. Toda sintetična konstrukcija na nanometru je do zdaj ostala nedosegljiva."
»Naš pretočni motor je narejen iz DNA material. V tanki membrani je ta struktura pritrjena na nanopore, majhno odprtino. Snop DNK debeline le 7 nanometrov se pod električnim poljem samoorganizira v rotorju podobno konfiguracijo, ki se nato nastavi v trajno rotacijsko gibanje z več kot 10 vrtljaji na sekundo.«
Znanstveniki že 7 let poskušajo iz nič sintetično zgraditi takšne rotacijske nanomotorje. V tej študiji so znanstveniki uporabili tehniko, imenovano DNK origami, ki uporablja specifične interakcije med komplementarnimi baznimi pari DNK za konstruiranje 2D in 3D nano-objektov.
Pretok vode in ionov zagotavljata moč za rotorje. To se vzpostavi z dovajanjem napetosti ali, preprosteje, z dvema stranema membrane z različno vsebnostjo soli. Slednji je eden najbogatejših virov energije v biologiji in spodbuja več ključnih funkcij, kot sta pogon celic in proizvodnja celičnega goriva.
Znanstveniki so opozorili, "Ta dosežek je mejnik, saj je to prva eksperimentalna realizacija aktivnih rotorjev, ki jih poganja tok, na nanometru."
Znanstveniki so bili po opazovanju rotacije zmedeni: kako lahko tako preproste palice DNK kažejo te lepe, trajne rotacije?
Uganko so rešili v pogovorih s teoretikom Raminom Golestanianom in njegovo ekipo na Inštitutu Maxa Plancka za dinamiko in samoorganizacijo v Göttingenu. Našli so fascinanten proces samoorganizacije skozi na novo modeliran sistem, kjer se snopi spontano deformirajo v kiralne rotorje, ki se nato povežejo s tokom iz nanopor.
Rekla je, »Ta proces samoorganizacije resnično kaže lepoto preprostosti. Toda pomembnost tega dela se ne ustavi pri tem preprostem rotorju samem. Tehnika in fizični mehanizem, ki stojita za njo, vzpostavljata povsem novo smer gradnje sintetičnih nanomotorjev: nano, ki ga poganja pretok. turbine, presenetljivo neraziskano področje s strani znanstvenikov in inženirjev.«
"Presenečeni bi bili, kako malo smo vedeli in dosegli pri izdelavi takšnih nanoturbin, ki jih poganja pretok, zlasti glede na tisočletja staro znanje, ki ga imamo o gradnji njihovih dvojnikov na makro ravni, in kritičnih vlog, ki jih izpolnjujejo v samem življenju."
Znanstveniki so nato dosegli pomemben napredek: zasnovali so nanometrsko turbino z uporabo znanja, pridobljenega po razvoju samoorganiziranega rotorja.
Rekla je, »Kot znanost in tehnologija vedno delujeta, smo začeli s preprostim kolesom, zdaj pa lahko poustvarimo čudovite nizozemske vetrnice, vendar tokrat z velikostjo samo 25 nm, velikostjo enega samega kolesa. beljakovin v telesu, in pokazali so svojo sposobnost prenašanja bremen.«
Cees Dekker, ki je nadzoroval raziskavo, je dejal, »In zdaj je bila smer vrtenja določena z načrtovano kiralnostjo. Levosučne turbine so se vrtele v smeri urinega kazalca; desničarji so se vrteli v nasprotni smeri urinega kazalca."
Ona je dejal, »Poleg boljšega razumevanja in posnemanja motoričnih proteinov, kot je FoF1-ATP sintaza, rezultati odpirajo nove perspektive za inženiring aktivne robotike na nanometru. Tukaj smo prikazali nanometrski motor, ki je resnično sposoben pretvarjati energijo in opravljati delo. Lahko bi potegnili analogijo s prvim izumom parnega stroja v 18. stoletju. Kdo bi lahko takrat napovedal, kako je to temeljito spremenilo naše družbe? Morda smo zdaj v podobni fazi s temi molekularnimi nanomotorji. Potencial je neomejen, a dela je še veliko.”
Referenca dnevnika:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Trajno enosmerno vrtenje samoorganiziranega rotorja DNK na nanoporih. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
