(Phys.org)—För första gången, forskare har visat en DNA-nanomotor som kan "gå" längs ett spår med hållbar rörelse. Nanomotorn har också den högsta bränsleeffektiviteten för alla typer av gående nanomotorer, eller "nanowalker, "rapporterat hittills, med ungefär en bränslemolekyl per steg.

Forskare Meihan Liu et al. vid National University of Singapore har publicerat ett papper om DNA nanowalker i en ny utgåva av ACS Nano .

Den lilla motorn illustrerar hur rent fysiska effekter kan möjliggöra effektiv skörd av kemisk energi på enmolekylnivå. Genom att arbeta på kemisk energi, den nya motorn fungerar helt annorlunda än någon makroskopisk motor, och för forskarna ett steg närmare att replikera de högeffektiva biomotorerna som transporterar last i levande celler.

En viktig egenskap hos den nya nanowalkern är att, som biomotorer i levande celler, det är ett enzym. Detta betyder att det hjälper till att initiera den bränsleproducerande kemiska reaktionen som genererar dess rörelse utan att permanent ändra sig själv eller dess spår. Denna egenskap möjliggör upprepade, hållbar rörelse, vilket inte har uppnåtts av någon kemiskt driven syntetisk nanowalker tidigare. De flesta andra nanowalkers har varit "brännbromotorer, " vilket betyder att de inte är enzymer utan istället förbrukar deras spår som bränsle.

Att skapa enzymatiska nanowalkers är mycket utmanande, och därför har framstegen på detta område gått relativt långsamt under de senaste åren. Den enda andra demonstrationen av en enzymatisk rollator var 2009, när forskare designade en nanowalker som, trots att de är enzymatiska, kan inte uppnå hållbar rörelse eftersom dess spår lindas över tiden och så småningom stoppar motorn. Denna nanowalker använder mer än två bränslemolekyler per steg, och studier sedan dess har föreslagit att två bränslemolekyler per steg är en allmän tröskel för enzymatiska nanomotorer.

Med sin förmåga till hållbar rörelse och en bränsleeffektivitet på ungefär en molekyl per steg, den nya nanowalkern representerar ett framsteg på detta område.

Nyckeln till denna prestation var att hitta en fysisk mekanism för att effektivt skörda kemisk energi på singelmolekylnivå. Denna mekanism består av tre "kemomekaniska grindar" som i princip ser till att nanowalkern går genom att alltid ta upp sitt bakre ben och inte sitt framben.

Att göra detta, dessa grindar styr fysiskt i vilken ordning produkterna frigörs i den kemiska reaktion som driver nanowalkern framåt. Som ett resultat, DNA-nanowalkerns bakben dissocierar först från banan och tar ett steg framåt innan frambenet dissocierar. Sedan när det främre benet blir det bakre benet, det benet tar ett steg framåt, och gångcykeln upprepas. Dissociationen av varje ben uppstår när ett enzym "klipper" en bränslemolekyl som är bunden till benet, så att en molekyl är allt som behövs för att ta ett steg. Med hjälp av ett fluorescensmikroskop, forskarna observerade att den 20 nm långa nanowalkern kunde röra sig med hastigheter på upp till 3 nm per minut.

Som forskarna förklarar, Produktkontrollmekanismen är unik för kemiskt drivna nanomotorer. Det används inte av andra typer av nanomotorer, såsom de som drivs av ljus eller elektriska/magnetiska fält, inte heller med makroskopiska motorer, som vanligtvis bränner en stor mängd bränslemolekyler för att generera värme, och sedan använda värmen för att generera rörelse för att producera arbete.

Produktkontroll är, dock, används i de tvåfotade biomotorerna inuti levande celler, som förbrukar ATP (adenosintrifosfat) som bränsle. När den mindre fosfatmolekylen i ATP frisätts före den större ADP (adenosin difosfat) molekylen, biomotorn rör sig i en riktning; när produkterna släpps i motsatt ordning, biomotorn rör sig i motsatt riktning.

Eftersom den nya nanowalkern är en sällsynt demonstration av produktkontroll i en syntetisk motor, forskarna hoppas att det kommer att styra framtida utveckling av kemiskt drivna nanomotorer mot det slutliga målet att replikera den mycket effektiva transporten som uppvisas i levande celler. Ett möjligt nästa steg på detta område är att tillverka ett tåg av nanowalkers för att demonstrera kollektiva transporter, vilket är en vanlig egenskap hos biomotorer. Dessa nanomotorer kan i slutändan leda till flera nya tillämpningar.

"Enzymatiska nanowalkers är ett nyckelelement för att replikera det autonoma, repeterbar och effektiv intracellulär transport, "medförfattare Zhisong Wang, en fysiker vid National University of Singapore, berättade Phys.org . "Denna förmåga är viktig eftersom den leder till en mängd olika nanoteknologiska tillämpningar, såsom motormonterad läkemedelstillförsel vart än spåret leder, upplösning ner till nanoskala för lokalisering; avkänning och signaltransduktion (genom att fånga och koncentrera kemiska medel); automatiserad flerstegssyntes och monteringslinjer i nanoskala; och energisamtal för energiteknik."

© 2016 Phys.org