Натхненні культовими голландськими вітряними млинами та білками біологічних двигунів, вчені з Делфтського технологічного університету розробили найменші у світі двигуни з потоком, що керуються самоналаштуванням, на основі ДНК. Цей ротор, що керується потоком, перетворює енергію електричного або сольового градієнта в корисну механічну роботу.
Доктор Сінь Ши, докторант у лабораторії професора Сіса Деккера у відділі біонанонауки в Технологічний університет Делфта (ТУ Делфт), сказав, «Роторні двигуни були рушійною силою людського суспільства протягом тисячоліть. Ці роторні двигуни, що приводяться в рух потоком, також присутні в клітинах, які повинні працювати. Але синтетична конструкція в нанорозмірі досі залишалася невловимою».
«Наш проточний двигун виготовлено з ДНК матеріал. У тонкій мембрані ця структура прикріплена до нанопори, крихітного отвору. Пучок ДНК товщиною лише 7 нанометрів самоорганізовується під дією електричного поля в роторну конфігурацію, яка згодом приводиться в безперервний обертальний рух понад 10 обертів на секунду».
Протягом 7 років вчені намагалися з нуля синтетично побудувати такі ротаційні наномотори. У цьому дослідженні вчені використовували техніку під назвою ДНК-орігамі, яка використовує специфічні взаємодії між комплементарними парами основ ДНК для побудови 2D і 3D нанооб’єктів.
Потік води та іонів забезпечує живлення роторів. Це досягається подачею напруги або, простіше кажучи, наявністю двох сторін мембрани з різним вмістом солі. Останній є одним із найпоширеніших джерел енергії в біології та забезпечує кілька важливих функцій, таких як рух клітин і виробництво клітинного палива.
Вчені відзначили, «Це досягнення є важливою віхою, оскільки це перша в історії експериментальна реалізація потокових активних роторів на нанорозмірі».
Після спостереження за обертаннями вчені були спантеличені: як такі прості стрижні ДНК могли демонструвати такі гарні, постійні обертання?
Вони розгадали головоломку під час дискусій з теоретиком Раміном Голестаняном та його командою в Інституті динаміки та самоорганізації Макса Планка в Геттінгені. Вони виявили захоплюючий процес самоорганізації через нещодавно змодельовану систему, де пучки спонтанно деформуються в хіральні ротори, які потім з’єднуються з потоком з нанопор.
Вона сказала, «Цей процес самоорганізації справді демонструє красу простоти. Але важливість цієї роботи не обмежується цим простим ротором. Техніка та фізичний механізм, що стоять за нею, створюють абсолютно новий напрямок створення синтетичних наномоторів: потокові нано турбіни, напрочуд недосліджена сфера вченими та інженерами».
«Ви були б здивовані, як мало ми знали та досягли, створюючи такі керовані потоком нанотурбіни, особливо враховуючи тисячолітні знання, які ми маємо про створення їхніх аналогів на макромасштабі та важливі ролі, які вони виконують у самому житті».
Далі вчені зробили значний крок вперед: вони розробили нанорозмірну турбіну, використовуючи знання, отримані після розробки самоорганізованого ротора.
Вона сказала, «Подібно до того, як завжди працюють наука та технології, ми почали з простої вертушки, тепер можемо відтворити прекрасні голландські вітряки, але цього разу з розміром лише 25 нм, розміром з одну єдину білка у вашому тілі, і вони продемонстрували свою здатність нести вантажі».
Сеес Деккер, який керував дослідженнями, сказав: «І тепер напрямок обертання було встановлено розробленою хіральністю. Лівосторонні турбіни оберталися за годинниковою стрілкою; праві обертаються проти годинникової стрілки».
Вона сказав, «Окрім кращого розуміння та імітації рухових білків, таких як FoF1-ATP-синтаза, результати відкривають нові перспективи для розробки активної робототехніки на наномасштабі. Ми тут продемонстрували нанорозмірний двигун, який дійсно здатний перетворювати енергію та виконувати роботу. Ви можете провести аналогію з першим винаходом парової машини в 18 столітті. Хто тоді міг передбачити, як це докорінно змінило наші суспільства? Зараз ми можемо перебувати в подібній фазі з цими молекулярними наномоторами. Потенціал необмежений, але попереду ще багато роботи».
Довідка з журналу:
- Shi, X., Pumm, AK., Isensee, J. та ін. Постійне односпрямоване обертання самоорганізованого ротора ДНК на нанопорі. Нац. фіз. (2022). DOI: 10.1038 / s41567-022-01683-z
