Nanoshuttle slitage:Det er kilometertallet, ikke alderen

Efterhånden som nanomaskine-design udvikler sig hurtigt, forskere bevæger sig fra at spekulere på, om nanomaskinen virker, til hvor længe den vil virke. Dette er et særligt vigtigt spørgsmål, da der er så mange potentielle anvendelser, for eksempel, til medicinske formål, inklusive medicinafgivelse, tidlig diagnose, sygdomsovervågning, instrumentering, og operation. I en ny undersøgelse ledet af Henry Hess, lektor i biomedicinsk teknik ved Columbia Engineering, forskere observerede en molekylær shuttle drevet af kinesin motorproteiner og fandt ud af, at den nedbrydes under drift, markerer første gang, de siger, at nedbrydning er blevet undersøgt i detaljer i en aktiv, autonom nanomaskine.

"Vores nanoshuttle blev forringet ligesom en bil, der falder fra hinanden efter et par hundrede tusinde kilometers kørsel - bortset fra at, til vores molekylære shuttle, hvad der svarer til hundrede tusinde miles viser sig at være en millimeter, " siger Hess, som samarbejdede om undersøgelsen med sin tidligere studerende Emmanuel Dumont PhD'14, nu innovationsstipendiat hos Cornell Technion, og Catherine Do, postdoc forsker ved Institute for Cancer Genetics ved Columbia University Medical Center. Avisen - "Molecular wear of microtubules propelled by surface-adhered kinesins" - udgives 26. januar i Natur nanoteknologi 's Advance Online Publication.

Forskere arbejder allerede på at skabe kunstige muskler og andre aktive materialer, og, for at gøre brugbare, praktiske systemer, det er afgørende, at de forstår, hvordan man får systemerne til at holde. "Hvad dette betyder, Hess forklarer, "er det, når vi forsøger at forstå designet af biologiske nanomaskiner, der opererer inde i celler, og så når vi forsøger at opfinde nye syntetiske nanomaskiner, vi skal være opmærksomme på deres levetid og få dem til enten at holde eller gøre dem i stand til at forny sig selv."

Biomolekylære systemer kan gennemgå en række aktive bevægelser på nanoskala, som er muliggjort ved omdannelse af kemisk energi til mekanisk arbejde ved polymerisationsprocesser og motorproteiner. Hess og hans team brugte et in vitro-system til at studere bevægelser i nanoskala og dens konsekvenser og opdagede, at den mekaniske aktivitet af biomolekylære motorer forårsager slid på molekylær skala svarende til slid på en kørende bilmotor. Hos mennesker, biomolekylære motorer er også ansvarlige for sammentrækning af muskler og levering af pakker inde i celler, og, for at forhindre aldring og sygdom, disse processer skal forløbe problemfrit i hele livet. Biologiske mekanismer såsom kontinuerlig udskiftning af molekylære dele har udviklet sig for at forhindre den hurtige nedbrydning af kroppens nanomaskiner.

"Vores undersøgelse har vist, at slid er et vigtigt spørgsmål, som skal overvejes i design af nanomaskiner, " Hess tilføjer. "Og det er klart, at en bedre forståelse af nanoteknik vil hjælpe os til bedre at forstå aldring og degeneration i biologiske systemer."