När nanomaskindesignen utvecklas snabbt, forskare går från att undra om nanomaskinen fungerar till hur länge den kommer att fungera. Detta är en särskilt viktig fråga eftersom det finns så många potentiella tillämpningar, till exempel, för medicinskt bruk, inklusive läkemedelstillförsel, tidig diagnos, sjukdomsövervakning, instrumentation, och operation. I en ny studie ledd av Henry Hess, docent i biomedicinsk teknik vid Columbia Engineering, forskare observerade en molekylär skyttel som drivs av kinesinmotorproteiner och fann att den bryts ned när den arbetade, markerar första gången, de säger, att nedbrytning har studerats i detalj i en aktiv, autonom nanomaskin.

"Vår nanoshuttle försämrades precis som en bil som faller isär efter några hundra tusen mils körning - förutom att, för vår molekylära skyttel, motsvarande hundra tusen miles visar sig vara en millimeter, säger Hess, som samarbetade i studien med sin tidigare student Emmanuel Dumont PhD'14, nu innovationsstipendiat på Cornell Technion, och Catherine Do, postdoktor vid Institutet för cancergenetik vid Columbia University Medical Center. Tidningen - "Molecular wear of microtubules propelled by ytadhered kinesins" - publiceras 26 januari i Naturens nanoteknik 's Advance Online Publication.

Forskare arbetar redan för att skapa konstgjorda muskler och andra aktiva material, och, för att göra nytta, praktiska system, det är viktigt att de förstår hur man får systemen att hålla. "Vad betyder detta, Hess förklarar, "är det när vi försöker förstå designen av biologiska nanomaskiner som verkar inuti celler och sedan när vi försöker uppfinna nya syntetiska nanomaskiner, vi måste vara medvetna om deras livstid och få dem att antingen hålla eller göra dem i stånd att förnya sig."

Biomolekylära system kan genomgå en rad aktiva rörelser på nanoskala som möjliggörs genom omvandling av kemisk energi till mekaniskt arbete genom polymerisationsprocesser och motorproteiner. Hess och hans team använde ett in vitro-system för att studera rörelser i nanoskala och dess konsekvenser och upptäckte att den mekaniska aktiviteten hos biomolekylära motorer orsakar slitage i molekylär skala som liknar utslitningen av en körande bilmotor. I människor, biomolekylära motorer är också ansvariga för sammandragning av muskler och leverans av förpackningar inuti celler, och, för att förhindra åldrande och sjukdomar, dessa processer måste löpa smidigt under en livstid. Biologiska mekanismer som kontinuerligt utbyte av molekylära delar har utvecklats för att förhindra den snabba nedbrytningen av kroppens nanomaskiner.

"Vår studie har visat att slitage är en viktig fråga som måste beaktas vid design av nanomaskiner, " Hess tillägger. "Och det är klart att en bättre förståelse för nanoteknik kommer att hjälpa oss att bättre förstå åldrande och degeneration i biologiska system."