En enkel måde at kontrollere sværmende molekylære maskiner

Omkring 100 millioner molekylære maskiners sværmeadfærd kan kontrolleres ved at anvende simple mekaniske stimuli såsom forlængelse og sammentrækning. Denne metode kan føre til udviklingen af ​​nye sværmende molekylære maskiner og små energibesparende enheder.

De sværmende molekyler i bevægelse justerede i én retning, udstillet zigzag mønstre, eller dannet en hvirvel, der reagerer på varierende mekaniske stimuli. De kunne endda selv reparere det bevægelige mønster efter en afbrydelse, ifølge en undersøgelse ledet af Hokkaido Universitets videnskabsmænd.

I de seneste år, mange videnskabsmænd har gjort en indsats for at miniaturisere maskiner, der findes i den makroskopiske verden. 2016-Nobelprismodtagerne i kemi blev tildelt for deres fremragende forskning i molekylære maskiner og design og syntese af nanomaskiner.

I tidligere undersøgelser, forskerholdet ledet af lektor Akira Kakugo fra Hokkaido University udviklede molekylære maskiner bestående af motoriske proteiner kaldet kinesiner og mikrotubuli, som viste forskellig sværmende adfærd. "Sværmning er et nøglebegreb i moderne robotteknologi. Det giver molekylære maskiner nye egenskaber såsom robusthed og fleksibilitet, som en individuel maskine ikke kan have, " siger Akira Kakugo. "Men, Det har været en udfordring at etablere en metode til at kontrollere sværmende adfærd."

I den aktuelle undersøgelse offentliggjort i ACS Nano , holdet brugte det samme system bestående af motorproteinkinesiner og mikrotubuli, begge bioingeniører. Kinesinerne er fikseret på en elastomer substratoverflade, og mikrotubulierne er selvkørende på kinesinerne, drevet af hydrolyse af adenosintrifosfat (ATP).

"Da vi ved, at anvendelse af mekanisk stress kan spille en nøglerolle i mønsterdannelse for aktive ting, vi undersøgte, hvordan deformation af elastomersubstratet påvirker molekylmaskinernes sværmende mønstre, ”siger Akira Kakugo.

Ved at forlænge og trække elastomersubstratet sammen, mekanisk stimulering påføres omkring 100 millioner mikrotubuli, der løber på substratoverfladen. Forskerne fandt først ud af, at mikrotubuli danner bølgemønstre, når der ikke påføres stress. Når substratet udvides og trækkes sammen 1,3 gange eller mere en gang, næsten alle de 100 millioner mikrotubuli vinkelret på udvidelses- og kontraktionsaksen, og når substratet udvides og trækkes sammen 1,3 gange eller mindre gentagne gange, det skabte zigzagmønstre placeret i diagonale retninger.

Deres computersimulering antydede, at orienteringsvinklerne for mikrotubuli svarer til retningen for at opnå jævn bevægelse uden at bøje, som yderligere forstærkes af mikrotubuliernes kollektive migration.

Et andet vigtigt fund var, at det bevægelige mønster af mikrotubuli kan moduleres ved at anvende nye mekaniske stimuli, og det kan repareres selv, selvom mikrotubuli-arrangementet forstyrres ved at ridse en del af det.

"Vores resultater kan bidrage til udviklingen af ​​nye molekylære maskiner, der udfører kollektiv bevægelse og kan også hjælpe med at fremme teknologier til energibesparende små enheder, " kommenterede Akira Kakugo.