Bilar, plan och många elektroniska produkter byggs nu med hjälp av sofistikerade löpande band. Mobilmonteringsbärare, på vilka föremålen är fixerade, är en viktig del av dessa löpande band. När det gäller en bilkaross, monteringskomponenterna är fästa i olika arbetssteg arrangerade i en exakt rumslig och kronologisk sekvens, vilket resulterar i ett komplett fordon i slutet av linjen.

Skapandet av ett sådant löpande band på molekylär nivå har varit en lång dröm för många nanoforskare. "Det skulle göra det möjligt för oss att sätta ihop nya komplexa ämnen eller material för specifika tillämpningar, säger professor Viola Vogel, chef för Laboratory of Applied Mechanobiology vid ETH Zürich. Vogel har arbetat med detta ambitiösa projekt tillsammans med sitt team och har nyligen fått ett genombrott. I en tidning publicerad i senaste numret av Royal Society of Chemistry's Lab on a Chip tidning, ETH-forskarna presenterade en molekylär monteringslinje som innehåller alla delar av en konventionell produktionslinje:en mobil monteringsbärare, ett monteringsobjekt, monteringskomponenter fästa vid olika monteringsstationer och en motor (inklusive bränsle) för monteringsbäraren för att transportera föremålet från en monteringsstation till nästa.

Produktionslinje tre gånger tunnare än ett hårstrå

På nanonivå, monteringslinjen har formen av en mikrofluidplattform till vilken en vattenlösning pumpas. Denna plattform är i huvudsak ett kanalsystem med huvudkanalen bara 30 mikrometer bred - tre gånger tunnare än ett människohår. Flera in- och utflöden leder till och från kanalen i rät vinkel. Plattformen utvecklades av Vogels doktorand Dirk Steuerwald och prototypen skapades i renrummet på IBM Research Zurich i Rüschlikon.

Kanalsystemet är försett med en matta gjord av motorproteinet kinesin. Detta protein har två rörliga huvuden som förflyttas av den energirika molekylen ATP, som förser människors celler och andra livsformer med energi och därför gör det till det bränsle som valts i detta konstgjorda system.

Montera molekyler steg för steg

ETH-forskarna använde mikrotubuli som monteringsbärare. Mikrotubuli är strängliknande proteinpolymerer som tillsammans med kinesin transporterar last runt cellerna. Med sina mobila huvuden, kinesin binder till mikrotubulierna och driver dem framåt längs enhetens yta. Denna framdrivning stöds ytterligare av strömmen som genereras av vätskan som pumpas in i kanalsystemet. Fem in- och utflöden riktar strömmen i huvudkanalen och delar upp den i strikt separerade segment:ett lastområde, varifrån monteringsbärarna avgår, två monteringsstationer och två slutstationer, där lasten levereras.

Forskarna kan lägga till objekten i systemet genom linjerna som försörjer monteringssegmenten. I deras senaste arbete, de testade systemet med NeutrAvidin, den första molekylen som binder till nanoskytteln. En andra komponent – ​​en enda, kort sträng av genetiskt material (DNA) – binder sedan till NeutrAvidin, skapa ett litet molekylärt komplex.

Tekniska tillämpningar är fortfarande långt kvar

Även om Vogels team har uppnått en lång dröm med detta arbete, ETH-professorn är fortfarande försiktig:"Systemet är fortfarande i sin linda. Vi är fortfarande långt borta från en teknisk tillämpning." Vogel anser att de bara har visat att principen fungerar.

Hon påpekar att även om konstruktionen av ett sådant molekylärt nanoskyttelsystem kan se lätt ut, en stor kreativ insats och kunskap från olika discipliner går in i varje enskild komponent i systemet. Skapandet av en funktionell enhet från enskilda komponenter är fortfarande en stor utmaning. "Vi har funderat mycket på hur man designar de mekaniska egenskaperna hos bindningar för att binda lasten till skyttlarna och sedan lossa den igen på rätt plats."

Användningen av biologiska motorer för tekniska tillämpningar är inte lätt. Molekylära motorer som kinesin måste avlägsnas från sitt biologiska sammanhang och integreras i en artificiell enhet utan att deras funktionalitet förloras. Forskarna var också tvungna att fundera över hur man skulle bygga monteringsbärarna och hur "banorna" och monteringsstationerna skulle se ut. "Det här är alla separata problem som vi nu har lyckats kombinera till en fungerande helhet, säger Vogel.

Sofistikerade produkter från nano -monteringslinjen

Forskarna tänker sig många tillämpningar, inklusive selektiv modifiering av organiska molekyler som protein och DNA, sammansättning av nanoteknologiska komponenter eller små organiska polymerer, eller den kemiska förändringen av kolnanorör. "Vi måste fortsätta att optimera systemet och lära oss mer om hur vi kan designa de enskilda komponenterna i detta nanoshuttle-system för att göra dessa applikationer möjliga i framtiden, " säger ETH-professorn. Förutsättningarna för vidare forskning inom detta område är utmärkta:hennes grupp är nu en del av den nya NCCR i Basel – Molecular Systems Engineering:Engineering functional molecular modules to factorys.