ได้รับแรงบันดาลใจจากกังหันลมดัตช์อันเป็นเอกลักษณ์และโปรตีนมอเตอร์ชีวภาพ นักวิทยาศาสตร์จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์ได้พัฒนามอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยกระแสน้ำที่เล็กที่สุดในโลกและกำหนดค่าเองได้จาก DNA โรเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยการไหลนี้จะแปลงพลังงานจากการไล่ระดับทางไฟฟ้าหรือเกลือให้เป็นงานทางกลที่เป็นประโยชน์
ดร. Xin Shi นักวิจัยหลังปริญญาเอกในห้องทดลองของศาสตราจารย์ Cees Dekker ในแผนก Bionanoscience ที่ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีเดลฟต์ (มธ.เดลฟท์) กล่าวว่า “มอเตอร์โรตารีเป็นขุมพลังของสังคมมนุษย์มาเป็นเวลานับพันปี มอเตอร์โรตารีเหล่านี้ซึ่งขับเคลื่อนด้วยการไหล ยังมีลักษณะพิเศษในเซลล์ที่ต้องทำงานอีกด้วย แต่โครงสร้างสังเคราะห์ในระดับนาโนยังคงเข้าใจได้ยาก”
“มอเตอร์ที่ขับเคลื่อนด้วยการไหลของเราทำมาจาก ดีเอ็นเอ วัสดุ. ในเมมเบรนบางๆ โครงสร้างนี้จะเชื่อมต่อกับนาโนพอร์ ซึ่งเป็นช่องเปิดเล็กๆ มัดดีเอ็นเอที่มีความหนาเพียง 7 นาโนเมตรจัดเรียงตัวเองภายใต้สนามไฟฟ้าให้มีลักษณะคล้ายโรเตอร์ ซึ่งต่อมาถูกกำหนดให้เคลื่อนที่แบบหมุนอย่างต่อเนื่องมากกว่า 10 รอบต่อวินาที”
เป็นเวลา 7 ปีที่นักวิทยาศาสตร์พยายามสร้างนาโนมอเตอร์แบบหมุนโดยสังเคราะห์ตั้งแต่เริ่มต้น ในการศึกษานี้ นักวิทยาศาสตร์ใช้เทคนิคที่เรียกว่า DNA origami ซึ่งใช้ปฏิสัมพันธ์เฉพาะระหว่างคู่ฐาน DNA เสริมเพื่อสร้างวัตถุนาโน 2 มิติและ 3 มิติ
การไหลของน้ำและไอออนให้พลังงานแก่โรเตอร์ สิ่งนี้เกิดขึ้นจากการใช้แรงดันไฟฟ้าหรือพูดง่ายๆ ก็คือการมีเมมเบรนสองด้านที่มีปริมาณเกลือต่างกัน อย่างหลังนี้เป็นหนึ่งในแหล่งพลังงานที่มีอยู่มากที่สุดในชีววิทยา และเป็นเชื้อเพลิงให้กับหน้าที่สำคัญหลายประการ เช่น การขับเคลื่อนของเซลล์และการผลิตเชื้อเพลิงในเซลล์
นักวิทยาศาสตร์ตั้งข้อสังเกตว่า "ความสำเร็จนี้เป็นก้าวสำคัญ เนื่องจากเป็นการทดลองโรเตอร์แบบแอคทีฟที่ขับเคลื่อนด้วยการไหลในระดับนาโนเป็นครั้งแรก"
นักวิทยาศาสตร์รู้สึกงงงวยหลังจากสังเกตการหมุน: แท่ง DNA ธรรมดา ๆ แบบนี้สามารถแสดงการหมุนที่ดีและต่อเนื่องได้อย่างไร
พวกเขาไขปริศนาด้วยการหารือกับนักทฤษฎี Ramin Golestanian และทีมงานของเขาที่ Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization ใน Göttingen พวกเขาค้นพบกระบวนการจัดระเบียบตนเองที่น่าสนใจผ่านระบบแบบจำลองใหม่ ซึ่งมัดเหล่านี้จะเปลี่ยนรูปเป็นไครัลโรเตอร์โดยธรรมชาติ จากนั้นจะจับคู่กับการไหลจากรูพรุนขนาดนาโน
เธอพูด, “กระบวนการจัดระเบียบตนเองนี้แสดงให้เห็นถึงความงดงามของความเรียบง่ายอย่างแท้จริง แต่ความสำคัญของงานนี้ไม่ได้หยุดอยู่ที่โรเตอร์ธรรมดานี้เท่านั้น เทคนิคและกลไกทางกายภาพที่อยู่เบื้องหลังทำให้เกิดทิศทางใหม่ในการสร้างนาโนมอเตอร์สังเคราะห์: นาโนที่ขับเคลื่อนด้วยการไหล กังหันซึ่งเป็นสาขาที่นักวิทยาศาสตร์และวิศวกรยังมิได้สำรวจอย่างน่าประหลาดใจ”
“คุณจะต้องแปลกใจว่าเรารู้และประสบความสำเร็จเพียงเล็กน้อยในการสร้างกังหันนาโนที่ขับเคลื่อนด้วยการไหล โดยเฉพาะอย่างยิ่งเมื่อพิจารณาจากความรู้เก่าแก่นับพันปีที่เรามีในการสร้างกังหันขนาดมหึมาและบทบาทสำคัญที่พวกเขาเติมเต็มในชีวิต”
ต่อไป นักวิทยาศาสตร์ได้พัฒนาความก้าวหน้าครั้งสำคัญ: พวกเขาออกแบบกังหันระดับนาโนโดยใช้ความรู้ที่ได้รับหลังจากพัฒนาโรเตอร์ที่จัดเรียงเอง
เธอพูด, “เช่นเดียวกับที่วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีทำงานอยู่เสมอ เราเริ่มต้นจากกังหันธรรมดาๆ ตอนนี้สามารถสร้างกังหันลมดัตช์ที่สวยงามขึ้นมาใหม่ได้ แต่คราวนี้ด้วยขนาดเพียง 25 นาโนเมตร ขนาดของกังหันลมเดียว โปรตีนในร่างกายของคุณและพวกเขาได้แสดงให้เห็นความสามารถในการบรรทุกสิ่งของ”
Cees Dekker ผู้ดูแลการวิจัยกล่าวว่า “และตอนนี้ ทิศทางการหมุนถูกกำหนดโดย chirality ที่ออกแบบไว้ กังหันทางซ้ายหมุนตามเข็มนาฬิกา คนถนัดขวาหมุนทวนเข็มนาฬิกา”
เธอ กล่าวว่า, “นอกเหนือจากความเข้าใจที่ดีขึ้นและการเลียนแบบโปรตีนจากมอเตอร์ เช่น FoF1-ATP synthase ผลลัพธ์ที่ได้ยังเปิดมุมมองใหม่สำหรับวิศวกรรมหุ่นยนต์เชิงรุกในระดับนาโน สิ่งที่เราแสดงให้เห็นที่นี่คือเครื่องยนต์ระดับนาโนที่สามารถแปลงพลังงานและทำงานได้อย่างแท้จริง คุณสามารถเปรียบเทียบได้กับการประดิษฐ์เครื่องจักรไอน้ำครั้งแรกในศตวรรษที่ 18 ใครจะคาดเดาได้ว่ามันเปลี่ยนแปลงสังคมของเราโดยพื้นฐานอย่างไร? ตอนนี้เราอาจอยู่ในระยะเดียวกันนี้กับโมเลกุลนาโนมอเตอร์เหล่านี้ ศักยภาพมีไม่จำกัด แต่ยังมีงานอีกมากที่ต้องทำ”
การอ้างอิงวารสาร:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. และคณะ การหมุนทิศทางเดียวอย่างต่อเนื่องของโรเตอร์ DNA ที่จัดตัวเองบนนาโนพอร์ แนท. ฟิสิกส์. (2022). ดอย: 10.1038 / s41567-022-01683-z
