Små DNA-ben går med rekord brændstofeffektivitet

(Phys.org)—For første gang, forskere har demonstreret en DNA -nanomotor, der kan "gå" langs et spor med bæredygtig bevægelse. Nanomotoren har også den højeste brændstofeffektivitet til enhver form for gående nanomotor, eller "nanowalker, "rapporteret til dato, ved hjælp af cirka et brændstofmolekyle pr. trin.

Forskere Meihan Liu et al. ved National University of Singapore har udgivet et papir om DNA -nanowalker i en nylig udgave af ACS Nano .

Den lille motor illustrerer, hvordan rent fysiske effekter kan muliggøre effektiv høst af kemisk energi på enkeltmolekyleniveau. Ved at operere på kemisk energi, den nye motor fungerer helt anderledes end enhver makroskopisk motor, og bringer forskere et skridt tættere på at replikere de højeffektive biomotorer, der transporterer last i levende celler.

Et vigtigt kendetegn ved den nye nanowalker er, at som biomotorer i levende celler, det er et enzym. Det betyder, at det hjælper med at igangsætte den brændstofproducerende kemiske reaktion, der genererer dens bevægelse uden permanent at ændre sig selv eller dens spor. Denne egenskab muliggør gentagne, bæredygtig bevægelse, hvilket ikke er blevet opnået af nogen kemisk drevet syntetisk nanowalker før nu. De fleste andre nanowalkere har været "brand-bro-motorer, "hvilket betyder, at de ikke er enzymer, men i stedet forbruger deres spor som deres brændstof.

Oprettelse af enzymatiske nanowalkers er meget udfordrende, og fremskridtene på dette område har derfor været relativt langsom i de seneste par år. Den eneste anden demonstration af en enzymatisk rollator var i 2009, da forskere designede en nanowalker, på trods af at den er enzymatisk, kan ikke opnå bæredygtig bevægelse, fordi dens spor spoler over tid og til sidst standser motoren. Denne nanowalker bruger mere end to brændstofmolekyler pr. trin, og undersøgelser siden da har antydet, at to brændstofmolekyler pr. trin er en generel tærskel for enzymatiske nanomotorer.

Med sin evne til bæredygtig bevægelse og en brændstofeffektivitet på cirka et molekyle pr. trin, den nye nanowalker repræsenterer et fremskridt på dette område.

Nøglen til denne præstation var at finde en fysisk mekanisme til effektivt at høste kemisk energi på enkeltmolekyleniveau. Denne mekanisme består af tre "kemomekaniske porte", der grundlæggende sikrer, at nanowalkeren går ved altid at tage sit bagerste ben op og ikke sit forben.

At gøre dette, disse porte styrer fysisk rækkefølgen, hvori produkterne frigives i den kemiske reaktion, der driver nanowalkeren fremad. Som resultat, DNA nanowalkerens bagben tager først afstand fra sporet og tager et skridt fremad, før forbenet dissocierer. Når det forreste ben derefter bliver det bageste ben, det ben tager et skridt fremad, og gåcyklussen gentages. Dissociationen af ​​hvert ben sker, når et enzym "skærer" et brændstofmolekyle, der er bundet til benet, så et molekyle er alt, hvad der er nødvendigt for at tage et skridt. Ved hjælp af et fluorescensmikroskop, forskerne observerede, at den 20 nm lange nanowalker kunne bevæge sig med hastigheder på op til 3 nm i minuttet.

Som forskerne forklarer, Produktkontrolmekanismen er unik for kemisk drevne nanomotorer. Det bruges ikke af andre former for nanomotorer, såsom dem, der drives af lys eller elektriske/magnetiske felter, heller ikke ved makroskopiske motorer, som typisk forbrænder en stor mængde brændstofmolekyler for at generere varme, og derefter bruge varmen til at generere bevægelse for at producere arbejde.

Produktkontrol er, imidlertid, bruges i de tobenede biomotorer inde i levende celler, som forbruger ATP (adenosintrifosfat) som brændstof. Når det mindre fosfatmolekyle i ATP frigives før det større ADP (adenosin diphosphat) molekyle, biomotoren bevæger sig i én retning; når produkterne frigives i den modsatte rækkefølge, biomotoren bevæger sig i den modsatte retning.

Da den nye nanowalker er en sjælden demonstration af produktkontrol i en syntetisk motor, forskerne håber, at det vil guide den fremtidige udvikling af kemisk drevne nanomotorer mod det ultimative mål om at replikere den højeffektive transport, der udvises i levende celler. Et muligt næste trin på dette område er at fremstille et tog af nanowalkers for at demonstrere kollektiv transport, hvilket er en fælles egenskab for biomotorer. Disse nanomotorer kan i sidste ende føre til flere nye applikationer.

"Enzymatiske nanowalkers er et centralt element for at replikere de autonome, gentagelig og effektiv intracellulær transport, "medforfatter Zhisong Wang, en fysiker ved National University of Singapore, fortalte Phys.org . "Denne kapacitet er vigtig, da den fører til en række forskellige nanoteknologiske anvendelser, såsom motormonteret medicinafgivelse, hvor end sporet fører hen, ned til nanoskala opløsning til lokalisering; sensing og signaltransduktion (ved at fange og koncentrere kemiske midler); automatiseret flertrins syntese og nanoskala samlebånd; og energisamtale for energiteknologi. "

© 2016 Phys.org