Hurtig computerstyring til molekylære maskiner

Forskere ved det tekniske universitet i München (TUM) har udviklet en ny elektrisk fremdriftsteknologi til nanorobotter. Det gør det muligt for molekylære maskiner at bevæge sig hundrede tusinde gange hurtigere end med de biokemiske processer, der er brugt til dato. Dette gør nanobots hurtige nok til at udføre samlebåndsarbejde i molekylære fabrikker. De nye forskningsresultater vises som forsidehistorie den 19. januar i det anerkendte videnskabelige tidsskrift Videnskab .

Op og ned, op og ned. Lyspunkterne veksler frem og tilbage i låsetrin. De er produceret af glødende molekyler, der er fastgjort til enderne af små robotarme. Prof. Friedrich Simmel observerer nanomaskinernes bevægelse på monitoren af ​​et fluorescensmikroskop. Et simpelt klik med musen er alt, der skal til, for at lyspunkterne kan bevæge sig i en anden retning.

"Ved at anvende elektriske felter, vi kan vilkårligt rotere armene i et plan, " forklarer lederen af ​​Chair of Physics of Synthetic Biological Systems ved TU München. Hans team har for første gang formået at kontrollere nanobots elektrisk og har samtidig sat rekord:Den nye teknik er 100.000 gange hurtigere end alle tidligere metoder.

DNA-origami robotter til morgendagens produktionsanlæg

Forskere rundt om i verden arbejder på nye teknologier til fremtidens nanofabrikker. De håber, at disse en dag vil blive brugt til at analysere biokemiske prøver eller producere aktive medicinske midler. De nødvendige miniaturemaskiner kan allerede fremstilles omkostningseffektivt ved hjælp af DNA-origami-teknikken.

Den eneste grund til, at disse molekylære maskiner ikke er blevet indsat i stor skala til dato, er, at de er for langsomme. Byggestenene aktiveres med enzymer, strenge af DNA eller lys for derefter at udføre specifikke opgaver, for eksempel at samle og transportere molekyler.

Imidlertid, traditionelle nanobotter tager minutter at udføre disse handlinger, nogle gange endda timer. Derfor, effektive molekylære samlebånd kan ikke, til alle praktiske formål og formål, implementeres ved hjælp af disse metoder.

Elektronisk hastighedsforøgelse

"At opbygge et nanoteknologisk samlebånd kræver en anden form for fremdriftsteknologi. Vi kom på ideen om helt at droppe biokemisk nanomaskine-omskiftning til fordel for samspillet mellem DNA-strukturer og elektriske felter, "forklarer TUM -forsker Simmel, som også er koordinator for Excellence Cluster Nanosystems Initiative München (NIM).

Princippet bag fremdriftsteknologien er enkelt:DNA-molekyler har negative ladninger. Biomolekylerne kan således flyttes ved at anvende elektriske felter. Teoretisk set, dette skulle gøre det muligt at styre nanobotter fremstillet af DNA ved hjælp af elektriske impulser.

Robotbevægelse under mikroskopet

For at bestemme, om og hvor hurtigt robotarmene ville stille op med et elektrisk felt, forskerne satte flere millioner nanobot-arme på et glassubstrat og placerede dette i en prøveholder med elektriske kontakter designet specielt til formålet.

Hver af miniaturemaskinerne produceret af hovedforfatteren Enzo Kopperger omfatter en 400 nanometer arm, der er fastgjort til en stiv 55 x 55 nanometer bundplade med en fleksibel samling lavet af uparrede baser. Denne konstruktion sikrer, at armene kan rotere vilkårligt i det vandrette plan.

I samarbejde med fluorescensspecialister ledet af prof. Don C. Lamb fra Ludwig Maximillians University München, forskerne markerede spidserne af robotarme ved hjælp af pigmentmolekyler. De observerede deres bevægelse ved hjælp af et fluorescensmikroskop. De ændrede derefter retningen af ​​det elektriske felt. Dette gjorde det muligt for forskerne at vilkårligt ændre orienteringen af ​​armene og kontrollere bevægelsesprocessen.

"Eksperimentet viste, at molekylære maskiner kan flyttes, og dermed også drevet elektrisk, " siger Simmel. "Takket være den elektroniske kontrolproces, vi kan nu igangsætte bevægelser på en millisekunds tidsskala og er dermed 100.000 gange hurtigere end med tidligere anvendte biokemiske tilgange."

På vej til en nanofabrik

Den nye kontrolteknologi er ikke kun velegnet til at flytte rundt på pigmenter og nanopartikler. Armaturerne på miniaturerobotterne kan også anvende kraft på molekyler. Disse interaktioner kan bruges til diagnostik og til farmaceutisk udvikling, understreger Simmel. "Nanobots er små og økonomiske. Millioner af dem kunne arbejde parallelt med at lede efter specifikke stoffer i prøver eller at syntetisere komplekse molekyler – ikke ulig et samlebånd."