Bevægelseskontrol på nanoskala

NUS Physicists har designet en bipedal nanowalker, der kan ændre dens gangmåde og retning ved at justere længden af ​​dens skridt. Deoxyribonukleinsyre (DNA)-baserede nanowalkers er en klasse af molekylære motorer, som udforskes til en bred vifte af potentielle nanoskalaapplikationer. Dette inkluderer automatiseret sekvensafhængig syntese, nanoskala samlebånd og rollatorstyret overflademønster.

En tobenet nanowalker kan bevæge sig langs et spor i enten fremadgående eller bagudgående retning ved hjælp af forskellige typer gangarter (gåmåde). Den kan antage en hånd-over-hånd (HOH) gangart, hvor rollatorens to ben skiftevis fører hinanden, eller følge en inchworm (IW) gang, hvor det ene ben altid fører det andet, som en kravlende orm. At den samme nanowalker kan skifte retning og have forskellige typer gangarter, repræsenterer et højere niveau af nanoskopisk bevægelseskontrol, som forbliver udfordrende.

Et hold ledet af prof Wang Zhisong fra Institut for Fysik, NUS har udviklet en bipedal nanowalker, der kan skifte mellem fremadgående og bagudgående bevægelse og mellem HOH og IW gang ved at ændre rollatorens skridtstørrelse. Sporet, som DNA-walkeren "går" på, er lavet af en periodisk række af identiske enkeltstrengede DNA-fodfæste adskilt af en dobbelthelix-spacer. Walkerens skridtstørrelse styres ved at ændre længden på denne spacer. Forskerholdet fandt ud af, at når afstandsstykket er kort, rollatoren bruger en IW-gang og bevæger sig mod en retning af DNA-sporet. Når afstandsstykket er aflangt, rollatoren bevæger sig i den modsatte retning og skifter til en HOH-gang. Når afstandsstykket er yderligere forlænget, rollatoren fortsætter med at have en HOH-gang, men vender retningen igen. Disse resultater viser, at gåmåden og bevægelsesretningen for DNA-walkeren kan kontrolleres ved at ændre skridtstørrelsen, som svarer til afstandsstykkets længde.

DNA-walkeren har to identiske enkeltstrengede "ben" forbundet med hinanden af ​​en stiv molekylær bro, der kan skifte mellem en lang dobbelt-helix struktur og en kort quadruplex struktur under forskellige lysforhold. Ved at veksle mellem ultraviolet og synligt lys, DNA-walkeren gennemgår en reversibel forlængelse og kontraktion, da den skifter mellem dobbelthelix- og quadruplex-strukturerne. På grund af en asymmetri i bindingspotentialet af dens "ben" til banen, der skabes en gangbevægelse, når DNA-walkeren trækkes frem og tilbage.

Prof Wang sagde, "I princippet, både energiforsyningen og kontrollen af ​​afstandsstykkets størrelse kunne inkorporeres i det molekylære spor for at udvikle mekanisk drevne nanowalkere med velkontrolleret gang og retning. Dette kunne potentielt implementeres ved at konstruere de molekylære spor ved hjælp af atomkraftmikroskoper eller magnetisk/optisk pincet."