DNA origami nanoturbine sætter ny horisont for nanomotorer
Et samarbejdende team af forskere ledet af prof. Cees Dekker ved Delft University of Technology, i partnerskab med internationale kolleger, har introduceret et banebrydende gennembrud i verden af nanomotorer - DNA-origami nanoturbinen. Denne enhed i nanoskala kunne repræsentere et paradigmeskifte, der udnytter kraften fra iongradienter eller elektrisk potentiale på tværs af en solid state nanopore for at drive turbinen til mekaniske rotationer.
Kernen i denne opdagelse er designet, konstruktionen og den drevne bevægelse af en "DNA origami" turbine, som har tre chirale vinger, alle inden for en lille 25 nanometer ramme, der opererer i en solid-state nanopore. Ved genialt at designe to chirale turbiner har forskere nu mulighed for at diktere rotationsretningen, med eller mod uret. Deres resultater er blevet offentliggjort i Nature Nanotechnology .
Nanoturbiner:Hjertet af fremskridt
Flow-drevne turbiner ligger i hjertet af mange revolutionære maskiner, der har formet vores samfund, fra vindmøller til fly. Selv livet afhænger i høj grad af turbiner til fundamentale processer, såsom FoF1-ATP-syntasen, der producerer brændstoffer til biologiske celler og den bakterielle flagelmotor, der driver bakterier frem.
"Vores nanoturbine har en rotor med en diameter på 25 nanometer lavet af DNA-materiale med blade konfigureret i højre- eller venstrehåndet forstand til at styre rotationsretningen. For at kunne betjene denne struktur er den forankret i en stærk vandstrøm, styret af en elektrisk felt eller saltkoncentrationsforskel, fra en nanopore, en lillebitte åbning, i en tynd membran Vi brugte vores turbine til at drive en stiv stang op til 10 omdrejninger i sekundet," siger Xin Shi, hovedforfatter af artiklen.
En fascinerende åbenbaring
En af de mest spændende opdagelser i denne forskning er den unikke karakter af DNA-origami nano-turbinens rotation. Dens adfærd er påvirket af ionkoncentration, hvilket tillader den samme turbine at rotere enten med eller mod uret, afhængigt af koncentrationen af Na + ioner i opløsningen.
Denne unikke egenskab, som er eksklusiv for nanoskalaen, er resultatet af det indviklede samspil mellem ioner, vand og DNA.
Disse resultater, strengt understøttet af omfattende molekylær dynamik-simuleringer af gruppen af Aleksei Aksimentiev ved University of Illinois og teoretisk modellering af Ramin Golestanian ved MPI Göttingen, holder løftet om at udvide horisonten for nanoteknologi og tilbyder adskillige applikationer. For eksempel vil vi i fremtiden måske være i stand til at bruge DNA-origami til at lave nanomaskiner, der kan levere lægemidler ind i den menneskelige krop, til bestemte typer celler.
DNA-origami
Cees Dekker, som overvågede forskningen, kaster lys over deres metodologi og siger:"Sammen med vores samarbejdspartnere på Hendrik Dietz's laboratorium fra det tekniske universitet i München brugte vi indsigt fra vores tidligere arbejde med DNA-roterende motorer til nu at skabe en turbine med fuld kontrol over dets design og drift."
"DNA origami"-teknikken bruger de specifikke interaktioner mellem komplementære DNA-basepar til at bygge dynamiske 3D-nano-objekter. Dette design gør det muligt at styre turbinens rotationsretning i vores nanoporer gennem vingernes håndhævelse og tillader ligetil integration af turbinen til andre nanomaskiner.
Et nyt skridt mod aktive transmembrane nanomaskiner
Denne forskningspræstation følger sidste års introduktion af den DNA-aktive nanorotor, en selvkonfigurerende enhed, der er i stand til at omdanne energi fra elektriske eller saltgradienter til praktisk mekanisk arbejde.
Efter at reflektere over arbejdet sagde Xin Shi:"Vi har afsløret de grundlæggende principper bag fremdrift af en rotor i nanoskala ved hjælp af vand og salt i nanoporer. Dette års gennembrud, drevet af rationelt design, markerer den næste fase af vores rejse."
"De grundlæggende principper fra vores tidligere papir, kombineret med innovationerne i denne, sætter scenen for fremtiden for biomimetiske transmembrane maskiner, med potentialet til at udnytte energi fra saltgradienter, en vital energikilde, der anvendes af biologiske motorer."
Flere oplysninger: Xin Shi et al, En DNA-turbine drevet af et transmembranpotentiale på tværs af en nanopore, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01527-8
Journaloplysninger: Naturenanoteknologi
Leveret af Delft University of Technology
Varme artikler
-
Små konjugerede polyelektrolyt-nanopartikelsonder fremstillet ved ultralyd viser sig at være overl…En let og effektiv metode er blevet udviklet til at fremstille lyse enkeltkædede konjugerede polyelektrolytprober i kvante-prikstørrelse til specifik ekstracellulær mærkning og billeddannelse. Kredit: -
Forskere afslører nye, stabile 2-D materialerHoldet skabte enheder til at stabilisere 2D-materialer Dusinvis af nye todimensionelle materialer, der ligner grafen, er nu tilgængelige, takket være forskning fra videnskabsmænd fra University of -
Nanopartikler klikker på immunceller for at gøre en dybere penetration i tumorerFigur 1:En skematisk fremstilling af klikreaktionsassisteret immuncellemålretning (CRAIT) strategi, der bruges til at forbedre tumorindtrængning af lægemiddelbelastede NPer. (venstre, top) Antistoffer -
Undersøgelse afslører ny mekanisme til cellekommunikation på lang afstandEkstracellulære vesikler (EVer) kan bevæge sig gennem tættere matricer, der kan slappe af over tid, herunder dem, der findes i kroppen. Aquaporin-1, et membranprotein, der tillader vand at komme ind o
- At bryde symmetrien mellem fundamentale kræfter
- Forskere udforsker strategierne for defekter og nanostrukturfabrikation til at fremme piezokatalytis…
- Verdens ældste mand dør i Japan i en alder af 113
- Brug af scotch tape og laserstråler, forskere laver nyt materiale, der kan forbedre LED-skærme
- Hvordan man lærer AI at tale walisisk (og andre minoritetssprog)
- Hvordan matematik kan besvare spørgsmål, vi endnu ikke har tænkt på