Primul nanomotor electric realizat din material ADN

O echipă de cercetare condusă de Universitatea Tehnică din München (TUM) a reușit pentru prima dată să producă un motor electric molecular folosind metoda origami ADN. Micuța mașinărie făcută din material genetic se autoasamblează și transformă energia electrică în energie cinetică. Noile nanomotoare pot fi pornite și oprite, iar cercetătorii pot controla viteza de rotație și direcția de rotație. Fie că este vorba de mașini, mașini de găurit sau râșnițe automate de cafea, motoarele ne ajută să îndeplinim munca în viața de zi cu zi pentru a îndeplini o mare varietate de sarcini. La o scară mult mai mică, motoarele moleculare naturale îndeplinesc sarcini vitale în corpul nostru. De exemplu, o proteină motor cunoscută sub numele de ATP sintază produce molecula de adenozin trifosfat (ATP), pe care corpul nostru o folosește pentru stocarea și transferul de energie pe termen scurt. În timp ce motoarele moleculare naturale sunt esențiale, a fost destul de dificil să se recreeze motoare la această scară cu proprietăți mecanice aproximativ similare cu cele ale motoarelor moleculare naturale, cum ar fi ATP sintaza. O echipă de cercetare a construit acum un motor rotativ molecular la scară nanometrică care funcționează folosind metoda origami ADN și și-a publicat rezultatele în Nature. Echipa a fost condusă de Hendrik Dietz, profesor de nanotehnologie biomoleculară la TUM, Friedrich Simmel, profesor de fizică a sistemelor biologice sintetice la TUM și Ramin Golestanian, director la Institutul Max Planck pentru dinamică și auto-organizare.

Sursa foto: nano-magazine.com

Noul motor molecular constă din ADN – material genetic. Cercetătorii au folosit metoda origami ADN pentru a asambla motorul din moleculele de ADN. Această metodă a fost inventată de Paul Rothemund în 2006 și ulterior a fost dezvoltată în continuare de echipa de cercetare de la TUM. Câteva catenele lungi unice de ADN servesc drept bază la care catenele suplimentare de ADN se atașează ca omologi. Secvențele de ADN sunt selectate în așa fel încât firele și pliurile atașate să creeze structurile dorite. „Avansăm această metodă de fabricație de mulți ani și acum putem dezvolta obiecte foarte precise și complexe, cum ar fi comutatoare moleculare sau corpuri goale care pot prinde viruși. Dacă puneți în soluție catenele de ADN cu secvențele potrivite, obiectele. se auto-asambla”, spune Dietz. Noul nanomotor realizat din material ADN este format din trei componente: bază, platformă și braț rotor. Baza are aproximativ 40 de nanometri înălțime și este fixată pe o placă de sticlă în soluție prin legături chimice pe o placă de sticlă. Un braț rotor de până la 500 de nanometri lungime este montat pe bază, astfel încât să se poată roti. O altă componentă este crucială pentru ca motorul să funcționeze conform intenției: o platformă care se află între bază și brațul rotorului. Această platformă conține obstacole care influențează mișcarea brațului rotorului. Pentru a trece de obstacole și a se roti, brațul rotorului trebuie să se îndoaie puțin în sus, similar unui clichet.

Fără alimentare cu energie, brațele rotorului motoarelor se mișcă aleatoriu într-o direcție sau alta, conduse de ciocniri aleatorii cu moleculele din solventul din jur. Cu toate acestea, de îndată ce tensiunea de curent alternativ este aplicată prin doi electrozi, brațele rotorului se rotesc într-o manieră țintită și continuă într-o direcție. „Noul motor are capacități mecanice fără precedent: poate atinge cupluri în intervalul de 10 piconewton ori nanometru. Și poate genera mai multă energie pe secundă decât ceea ce este eliberat atunci când două molecule de ATP sunt împărțite”, explică Ramin Golestanian, care a condus analiza teoretică. a mecanismului motorului. Mișcarea țintită a motoarelor rezultă dintr-o suprapunere a forțelor electrice fluctuante cu forțele experimentate de brațul rotorului din cauza obstacolelor cu clichet. Mecanismul de bază realizează așa-numitul „clichet brownian intermitent”. Cercetătorii pot controla viteza și direcția de rotație prin direcția câmpului electric și, de asemenea, prin frecvența și amplitudinea tensiunii AC. „Noul motor ar putea avea, de asemenea, aplicații tehnice în viitor. Dacă dezvoltăm motorul în continuare, l-am putea folosi în viitor pentru a conduce reacții chimice definite de utilizator, inspirate de modul în care ATP sintaza produce ATP condus de rotație. Atunci, de exemplu, suprafețele ar putea fi acoperite dens cu astfel de motoare. Apoi ați adăuga materii prime, ați aplica puțină tensiune de curent alternativ și motoarele produc compusul chimic dorit”, spune Dietz.

Sursa: nano-magazine.com