Enkeltmolekyle-eksperimenter afslører kraftkapacitet hos kunstige molekylære motorer

Fysikere fra National University of Singapore har vist, at en enkelt menneskeskabt molekylær motor kan udvise en kraft, der ligner naturligt forekommende dem, der driver menneskelige muskler. Deres resultater er offentliggjort i Nanoscale .

Molekylær motorer er en klasse af maskiner med nanoskala dimensioner, der er væsentlige agenter for bevægelse i levende organismer. De udnytter forskellige energikilder i kroppen til at generere mekanisk bevægelse. En nøgleegenskab er den kraft, der genereres af en enkelt motor under dens selvkørende bevægelse. Denne kraftgenereringsevne gør det muligt for den molekylære motor at levere mekanisk arbejde og er et mål for dens energikonverteringseffektivitet, som påvirker dens brug i potentielle applikationer.

Målingen af ​​kraften genereret af naturligt forekommende molekylære motorer, som normalt er lavet af proteiner, blev opnået for to årtier siden. Imidlertid er lignende målinger for kunstige menneskeskabte molekylære motorer lavet af DNA (deoxyribonukleinsyre) stadig en udfordring. Et forskningssamarbejde mellem Molecular Motors Laboratory af lektor Zhisong Wang og Single-Molecule Biophysics Laboratory af professor Jie Yan, begge fra Institut for Fysik, NUS har formået at detektere kraften genereret af en bevægelig DNA-molekylær motor.

Det er svært at opdage de kræfter, der skabes af en enkelt molekylær motor i bevægelse for kunstige motorer, fordi de er små og for det meste opererer på bløde spor (f.eks. dobbeltstrenget DNA). Bløde spor er ikke fikseret i position og har tendens til at rulle sig sammen til en cirkulær form. Dette påvirker bevægelsen af ​​den kunstige motor. Forskerholdet overvandt denne vanskelighed ved at designe og udføre parallelle enkeltmolekyleeksperimenter, der holdt sporene på plads på nanoskalaniveau, mens de samtidig detekterede den minimale kraft skabt af den bevægelige molekylære motor. Ved hjælp af den magnetiske pincet-teknik samlede de først en kunstig molekylær motor og dens spor under en paramagnetisk perle (værktøj til isolering af biomolekyler). De skiftede derefter den paramagnetiske perle til en kraftdetekteringstilstand (se figur).

Forskerholdet har med succes anvendt deres metode til en autonom DNA-molekylær motor (tidligere udviklet af prof. Wangs laboratorium). Denne tobenede molekylære motor er i stand til at "gå" fortløbende på egen hånd med en skridtlængde på omkring 16 nm mellem hvert trin, hvilket giver en maksimal kraftudgang på omkring 2 til 3 pN. Dette målte kraftoutput er på et niveau, der er tæt på naturligt forekommende molekylære motorer, der driver menneskelige muskler, hvilket indikerer en rimelig effektiv omdannelse af kemisk energi til mekanisk bevægelse.

Prof. Wang sagde:"Denne undersøgelse baner vejen for udviklingen af ​​applikationer forbundet med translationelle kunstige molekylære motorer, som kræver generering af kræfter. Eksempler omfatter molekylære robotter og bioefterlignende kunstige muskler. Separat er enkeltmolekylemetoden, der er etableret i dette arbejde, anvendelig til kraftmåling af mange andre kunstige molekylære motorer med bløde spor." + Udforsk yderligere

Fysikere skaber selvstyrende molekylære motorer, der går på spor