Inspirerade av ikoniska holländska väderkvarnar och biologiska motorproteiner har forskare från Delft University of Technology utvecklat världens minsta, självkonfigurerande flödesdrivna motorer från DNA. Denna flödesdrivna rotor omvandlar energi från en elektrisk eller saltgradient till användbart mekaniskt arbete.
Dr Xin Shi, en postdoktor i professor Cees Dekkers labb på avdelningen för bionanovetenskap kl. Delft tekniska högskola (TU Delft), sa, "Roterande motorer har varit kraftpaketen i mänskliga samhällen i årtusenden. Dessa roterande motorer, som drivs av ett flöde, finns också i celler som måste fungera. Men den syntetiska konstruktionen på nanoskala har hittills förblivit svårfångad."
"Vår flödesdrivna motor är gjord av DNA- material. I ett tunt membran är denna struktur dockad på en nanopore, en liten öppning. DNA-knippet med endast 7 nanometers tjocklek organiserar sig själv under ett elektriskt fält till en rotorliknande konfiguration som därefter sätts in i en ihållande roterande rörelse på mer än 10 varv per sekund."
I 7 år har forskare försökt att syntetiskt bygga sådana roterande nanomotorer från grunden. I denna studie använde forskare en teknik som kallas DNA-origami som använder de specifika interaktionerna mellan komplementära DNA-baspar för att konstruera 2D- och 3D-nanoobjekt.
Vatten- och jonflödet ger kraft till rotorerna. Detta etableras genom att applicera spänning eller, enklare, genom att ha två sidor av membranet med olika salthalt. Den senare är en av biologins mest förekommande energikällor och ger bränsle till flera avgörande funktioner som cellframdrivning och tillverkning av cellulärt bränsle.
Forskare noterade, "Denna prestation är en milstolpe, eftersom det är den första experimentella realiseringen någonsin av flödesdrivna aktiva rotorer på nanoskala."
Forskare var förbryllade efter att ha observerat rotationerna: hur kunde sådana enkla DNA-stavar uppvisa dessa fina, ihållande rotationer?
De löste pusslet i diskussioner med teoretikern Ramin Golestanian och hans team vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization i Göttingen. De hittade den fascinerande självorganiseringsprocessen genom ett nymodellerat system där buntarna spontant deformeras till kirala rotorer som sedan kopplas till flödet från nanoporerna.
Hon sa, "Denna självorganiseringsprocess visar verkligen skönheten i enkelheten. Men vikten av detta arbete stannar inte vid denna enkla rotor i sig. Tekniken och den fysiska mekanismen bakom den etablerar en helt ny riktning för att bygga syntetiska nanomotorer: flödesdriven nano turbiner, ett förvånansvärt outforskat område av forskare och ingenjörer."
"Du skulle bli förvånad över hur lite vi visste och uppnådde att bygga sådana flödesdrivna nanoturbiner, särskilt med tanke på den tusenåriga kunskap vi har om att bygga sina motsvarigheter i makroskala och de kritiska roller de fyller i själva livet."
Forskare gjorde sedan ett betydande framsteg: de designade nanoskalaturbinen med hjälp av kunskap som erhållits efter att ha utvecklat en självorganiserad rotor.
Hon sa, "Som hur vetenskap och teknik alltid fungerar, utgick vi från ett enkelt pinwheel, nu kan vi återskapa de vackra holländska väderkvarnarna, men den här gången med en storlek på bara 25 nm, storleken på en enda protein i din kropp, och de visade sin förmåga att bära laster.”
Cees Dekker, som övervakade forskningen, sa: "Och nu bestämdes rotationsriktningen av den designade kiraliteten. Vänsterhänta turbiner roterade medurs; högerhänta roterade moturs."
Hon sade, "Brutte till bättre förståelse och efterliknande av motorproteiner som FoF1-ATP-syntas, öppnar resultaten nya perspektiv för att konstruera aktiv robotik på nanoskala. Det vi har visat här är en nanoskalamotor som verkligen kan omvandla energi och utföra arbete. Man skulle kunna dra en analogi med den första uppfinningen av ångmaskinen på 18-talet. Vem kunde då ha förutspått hur det i grunden förändrade våra samhällen? Vi kan vara i en liknande fas nu med dessa molekylära nanomotorer. Potentialen är obegränsad, men det finns fortfarande mycket att göra."
Tidskriftsreferens:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. et al. Ihållande enkelriktad rotation av en självorganiserad DNA-rotor på en nanopor. Nat. Phys. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
