Første elektriske nanomotor lavet af DNA-materiale

Et forskerhold ledet af Münchens Tekniske Universitet (TUM) er for første gang lykkedes med at fremstille en molekylær elektrisk motor ved hjælp af DNA-origami-metoden. Den lille maskine lavet af genetisk materiale samler sig selv og omdanner elektrisk energi til kinetisk energi. De nye nanomotorer kan tændes og slukkes, og forskerne kan styre omdrejningshastigheden og rotationsretningen.

Det være sig i vores biler, boremaskiner eller automatiske kaffekværne – motorer hjælper os med at udføre arbejde i vores hverdag for at udføre en bred vifte af opgaver. I en meget mindre skala udfører naturlige molekylære motorer vitale opgaver i vores kroppe. For eksempel producerer et motorprotein kendt som ATP-syntase molekylet adenosintrifosfat (ATP), som vores krop bruger til kortvarig opbevaring og overførsel af energi.

Mens naturlige molekylære motorer er essentielle, har det været ret svært at genskabe motorer i denne skala med mekaniske egenskaber, der nogenlunde svarer til naturlige molekylære motorer som ATP-syntase. Et forskerhold har nu konstrueret en fungerende molekylær rotationsmotor på nanoskala ved hjælp af DNA-origami-metoden og offentliggjort deres resultater i Nature . Holdet blev ledet af Hendrik Dietz, professor i biomolekylær nanoteknologi ved TUM, Friedrich Simmel, professor i fysik af syntetiske biologiske systemer ved TUM, og Ramin Golestanian, direktør ved Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization.

En selvsamlende nanomotor

Den nye molekylære motor består af DNA - genetisk materiale. Forskerne brugte DNA-origami-metoden til at samle motoren fra DNA-molekyler. Denne metode blev opfundet af Paul Rothemund i 2006 og blev senere videreudviklet af forskerholdet på TUM. Flere lange enkeltstrenge af DNA tjener som grundlag, som yderligere DNA-strenge binder sig til som modstykker. DNA-sekvenserne udvælges på en sådan måde, at de vedhæftede strenge og folder skaber de ønskede strukturer.

"Vi har fremmet denne fremstillingsmetode i mange år og kan nu udvikle meget præcise og komplekse objekter, såsom molekylære switches eller hule legemer, der kan fange vira. Hvis man sætter DNA-strengene med de rigtige sekvenser i opløsning, vil objekterne selvsamler," siger Dietz.

Den nye nanomotor lavet af DNA-materiale består af tre komponenter:base, platform og rotorarm. Basen er cirka 40 nanometer høj og er fastgjort til en glasplade i opløsning via kemiske bindinger på en glasplade. En rotorarm på op til 500 nanometer i længden er monteret på basen, så den kan rotere. En anden komponent er afgørende for, at motoren fungerer efter hensigten:en platform, der ligger mellem basen og rotorarmen. Denne platform indeholder forhindringer, der påvirker rotorarmens bevægelse. For at passere forhindringerne og rotere, skal rotorarmen bøje lidt opad, svarende til en skralde.

Målrettet bevægelse gennem AC-spænding

Uden energiforsyning bevæger motorernes rotorarme sig tilfældigt i den ene eller den anden retning, drevet af tilfældige kollisioner med molekyler fra det omgivende opløsningsmiddel. Men så snart AC-spænding påføres via to elektroder, roterer rotorarmene målrettet og kontinuerligt i én retning.

"Den nye motor har hidtil usete mekaniske egenskaber:Den kan opnå drejningsmomenter i intervallet 10 piconewton gange nanometer. Og den kan generere mere energi i sekundet, end hvad der frigives, når to ATP-molekyler deles," forklarer Ramin Golestanian, der ledede den teoretiske analyse. af motorens mekanisme.

Den målrettede bevægelse af motorerne er resultatet af en overlejring af de fluktuerende elektriske kræfter med de kræfter, som udsættes for af rotorarmen på grund af skraldeforhindringerne. Den underliggende mekanisme realiserer en såkaldt "blinkende Brownsk skralde". Forskerne kan styre hastigheden og rotationsretningen via retningen af ​​det elektriske felt og også via frekvensen og amplituden af ​​AC-spændingen.

"Den nye motor kan også have tekniske anvendelser i fremtiden. Hvis vi udvikler motoren videre, kan vi muligvis bruge den i fremtiden til at drive brugerdefinerede kemiske reaktioner, inspireret af hvordan ATP-syntase gør ATP drevet af rotation. Så kan f.eks. , kunne overflader være tæt belagt med sådanne motorer. Så ville man tilføje startmaterialer, påføre lidt AC-spænding, og motorerne producerer den ønskede kemiske forbindelse," siger Dietz. + Udforsk yderligere

En biologisk motor, der forbruger chiralt brændstof, driver rotation i én retning omkring en enkelt kovalent binding