İkonik Hollanda yel değirmenlerinden ve biyolojik motor proteinlerinden ilham alan Delft Teknoloji Üniversitesi'nden bilim adamları, DNA'dan dünyanın en küçük, kendi kendini yapılandıran akışla çalışan motorlarını geliştirdiler. Bu akışla çalışan rotor, enerjiyi elektrik veya tuz gradyanından faydalı mekanik işe dönüştürür.
Profesör Cees Dekker'in Biyonanobilim bölümündeki laboratuvarında doktora sonrası araştırmacı olan Dr. Xin Shi, Delft Teknoloji Üniversitesi (TU Delft), şunları söyledi: “Döner motorlar binlerce yıldır insan toplumlarının güç santralleri olmuştur. Bir akışla tahrik edilen bu döner motorlar, çalışması gereken hücrelerde de bulunur. Ancak nano ölçekteki sentetik yapı şu ana kadar anlaşılması zor bir şey olarak kaldı."
“Akışla çalışan motorumuz, DNA malzeme. İnce bir zardaki bu yapı, küçük bir açıklık olan nanogözenek üzerine yerleştirilmiştir. Yalnızca 7 nanometre kalınlığındaki DNA demeti, bir elektrik alanı altında rotor benzeri bir konfigürasyon halinde kendi kendine organize oluyor ve daha sonra saniyede 10 devirden fazla sürekli bir dönme hareketine ayarlanıyor.
7 yıldır bilim insanları bu tür döner nanomotorları sentetik olarak sıfırdan üretmeye çalışıyorlar. Bu çalışmada bilim insanları, 2D ve 3D nano nesneler oluşturmak için tamamlayıcı DNA baz çiftleri arasındaki spesifik etkileşimleri kullanan, DNA origami adı verilen bir teknik kullandılar.
Su ve iyon akışı rotorlara güç sağlar. Bu, voltaj uygulanarak veya daha basit bir şekilde, zarın iki tarafının farklı tuz içeriklerine sahip olmasıyla sağlanır. İkincisi, biyolojinin en bol enerji kaynaklarından biridir ve hücre itişi ve hücresel yakıt üretimi gibi birçok önemli işlevi besler.
Bilim adamları kaydetti, "Bu başarı bir dönüm noktasıdır, çünkü nano ölçekte akışla çalışan aktif rotorların ilk kez deneysel olarak gerçekleştirilmesidir."
Bilim insanları rotasyonları gözlemledikten sonra şaşkınlığa uğradılar: Bu kadar basit DNA çubukları nasıl bu güzel, sürekli rotasyonları sergileyebiliyordu?
Bu bulmacayı, Göttingen'deki Max Planck Dinamik ve Öz-Organizasyon Enstitüsü'nde teorisyen Ramin Golestanian ve ekibiyle yaptıkları tartışmalarda çözdüler. Demetlerin kendiliğinden kiral rotorlara dönüştüğü ve daha sonra nano gözeneklerden gelen akışa bağlandığı yeni modellenmiş bir sistem aracılığıyla büyüleyici kendi kendini organize etme sürecini buldular.
Dedi ki "Bu kendi kendini organize etme süreci gerçekten sadeliğin güzelliğini gösteriyor. Ancak bu çalışmanın önemi bu basit rotorun kendisinde bitmiyor. Arkasındaki teknik ve fiziksel mekanizma, sentetik nanomotorların yapımında tamamen yeni bir yön belirliyor: akış güdümlü nano türbinlerbilim insanları ve mühendisler tarafından şaşırtıcı derecede keşfedilmemiş bir alan.”
"Bu tür akışla çalışan nano türbinleri inşa etmeyi ne kadar az bildiğimize ve başardığımıza şaşıracaksınız, özellikle de onların makro ölçekli benzerlerini inşa etme konusunda sahip olduğumuz bin yıllık bilgi ve bunların yaşamda üstlendikleri kritik roller göz önüne alındığında."
Bilim adamları daha sonra önemli bir ilerleme kaydettiler: Kendi kendini organize eden bir rotor geliştirdikten sonra elde edilen bilgileri kullanarak nano ölçekli türbini tasarladılar.
Dedi ki "Bilim ve teknolojilerin her zaman çalıştığı gibi, basit bir fırıldakla başladık, şimdi güzel Hollanda yel değirmenlerini yeniden yaratabiliyoruz, ancak bu sefer yalnızca 25 nm boyutunda, tek bir değirmen büyüklüğünde. vücudunuzdaki proteinve yük taşıma yeteneklerini gösterdiler.”
Araştırmayı denetleyen Cees Dekker şunları söyledi: "Ve artık dönüş yönü tasarlanan kiralite tarafından belirlendi. Solak türbinler saat yönünde dönüyordu; sağ elini kullananlar saat yönünün tersine dönüyordu.
O şuraya, "FoF1-ATP sentaz gibi motor proteinlerini daha iyi anlamanın ve taklit etmenin yanı sıra, sonuçlar nano ölçekte aktif robot mühendisliği için yeni perspektifler açıyor. Burada gösterdiğimiz şey, gerçekten enerji aktarabilen ve iş yapabilen nano ölçekli bir motordur. Buhar makinesinin 18. yüzyıldaki ilk icadına benzetebiliriz. O halde bunun toplumlarımızı nasıl temelden değiştireceğini kim tahmin edebilirdi? Şu anda bu moleküler nanomotorlarla benzer bir aşamada olabiliriz. Potansiyel sınırsız ama hâlâ yapılacak çok iş var.”
Dergi Referans:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. ve diğerleri. Bir nanogözenek üzerinde kendi kendine organize olan bir DNA rotorunun sürekli tek yönlü dönüşü. Nat. fizik. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
