Nanoskala produktionslinje til samling af biologiske molekyler

biler, fly og mange elektroniske produkter er nu bygget ved hjælp af sofistikerede samlebånd. Mobile samlebærere, som objekterne er fastgjort til, er en vigtig del af disse samlebånd. I tilfælde af et karosseri, samlingskomponenterne er fastgjort i forskellige arbejdstrin arrangeret i en præcis rumlig og kronologisk rækkefølge, hvilket resulterer i et komplet køretøj for enden af ​​linjen.

Oprettelsen af ​​et sådant samlebånd på molekylært niveau har været en lang drøm for mange nanovidenskabsmænd. "Det ville gøre det muligt for os at samle nye komplekse stoffer eller materialer til specifikke applikationer, " siger professor Viola Vogel, leder af Laboratory of Applied Mechanobiology ved ETH Zürich. Vogel har arbejdet på dette ambitiøse projekt sammen med sit team og har for nylig fået et gennembrud. I et papir offentliggjort i det seneste nummer af Royal Society of Chemistry's Lab on a Chip tidsskrift, ETH -forskerne præsenterede en molekylær samlebånd med alle elementerne i en konventionel produktionslinje:en mobil forsamlingsbærer, et samleobjekt, samlekomponenter fastgjort på forskellige samlestationer og en motor (inklusive brændstof) til samlebæreren til at transportere genstanden fra den ene samlestation til den næste.

Produktionslinje tre gange tyndere end et hår

På nano -niveau, samlebåndet har form af en mikrofluid platform, i hvilken en vandig opløsning pumpes. Denne platform er i det væsentlige et kanalsystem med hovedkanalen kun 30 mikrometer bred - tre gange tyndere end et menneskehår. Adskillige ind- og udløb fører vinkelret til og fra kanalen. Platformen er udviklet af Vogels ph.d.-studerende Dirk Steuerwald, og prototypen blev skabt i renrummet på IBM Research Zurich i Rüschlikon.

Kanalsystemet er udstyret med et tæppe lavet af motorproteinet kinesin. Dette protein har to mobile hoveder, der bevæges af det energirige molekyle ATP, som forsyner menneskers celler og andre livsformer med energi og derfor gør det til det foretrukne brændstof i dette kunstige system.

Montering af molekyler trin for trin

ETH-forskerne brugte mikrotubuli som samlebærere. Mikrotubuli er strenglignende proteinpolymerer, der sammen med kinesin transporterer last rundt i cellerne. Med sine mobile hoveder, kinesin binder sig til mikrotubulierne og driver dem fremad langs enhedens overflade. Denne fremdrift understøttes yderligere af den strøm, der genereres af væsken, der pumpes ind i kanalsystemet. Fem ind- og udstrømninger leder strømmen i hovedkanalen og opdeler den i strengt adskilte segmenter:et læsseområde, hvorfra forsamlingsbærerne afgår, to samlingsstationer og to slutstationer, hvor lasten leveres.

Forskerne kan tilføje objekterne til systemet gennem de linjer, der forsyner montagesegmenterne. I deres seneste arbejde, de testede systemet ved hjælp af NeutrAvidin, det første molekyle, der binder sig til nanoshuttle. En anden komponent - en enkelt, kort streng af genetisk materiale (DNA) – binder derefter til NeutrAvidin, skaber et lille molekylært kompleks.

Tekniske applikationer er stadig langt væk

Selvom Vogels team har opnået en længe bevaret drøm med dette arbejde, ETH-professoren er fortsat forsigtig:"Systemet er stadig i sin vorden. Vi er stadig langt væk fra en teknisk applikation." Vogel mener, at de kun har vist, at princippet virker.

Hun påpeger, at selvom konstruktionen af ​​et sådant molekylært nanoshuttle -system kan se let ud, en stor kreativ indsats og viden fra forskellige discipliner ligger i hver enkelt komponent i systemet. Oprettelsen af ​​en funktionel enhed ud fra individuelle komponenter er fortsat en stor udfordring. "Vi har gjort os mange tanker om, hvordan vi kan designe de mekaniske egenskaber af bindinger for at binde lasten til shuttles og derefter losse den igen på det rigtige sted."

Brugen af ​​biologiske motorer til tekniske applikationer er ikke let. Molekylære motorer som kinesin skal fjernes fra deres biologiske kontekst og integreres i en kunstig enhed uden tab af deres funktionalitet. Forskerne måtte også overveje, hvordan man bygger samlingsbærerne, og hvordan 'sporene' og samlingsstationerne ville se ud. "Det er alle separate problemer, som vi nu har formået at kombinere til en fungerende helhed, ”siger Vogel.

Sofistikerede produkter fra nano -samlebåndet

Forskerne forestiller sig adskillige anvendelser, herunder selektiv modifikation af organiske molekyler såsom protein og DNA, samling af nanoteknologiske komponenter eller små organiske polymerer eller den kemiske ændring af carbon nanorør. "Vi er nødt til at fortsætte med at optimere systemet og lære mere om, hvordan vi kan designe de individuelle komponenter i dette nanoshuttle-system for at gøre disse applikationer mulige i fremtiden, " siger ETH-professoren. Betingelserne for yderligere forskning på dette område er fremragende:hendes gruppe er nu en del af det nye NCCR i Basel – Molecular Systems Engineering:Engineering funktionelle molekylære moduler til fabrikker.