Forskare vid Münchens tekniska universitet (TUM) har utvecklat en ny elektrisk framdrivningsteknik för nanorobotar. Det tillåter molekylära maskiner att röra sig hundra tusen gånger snabbare än med de biokemiska processer som hittills använts. Detta gör nanobotar tillräckligt snabba för att utföra löpande bandarbete i molekylära fabriker. De nya forskningsresultaten kommer att visas som omslagsartikel den 19 januari i den välrenommerade vetenskapliga tidskriften Vetenskap .

Upp och ner, upp och ner. Ljuspunkterna växlar fram och tillbaka i låssteg. De produceras av glödande molekyler fästa i ändarna av små robotarmar. Prof. Friedrich Simmel observerar nanomaskinernas rörelser på monitorn i ett fluorescensmikroskop. Ett enkelt musklick är allt som krävs för att ljuspunkterna ska röra sig i en annan riktning.

"Genom att applicera elektriska fält, vi kan godtyckligt rotera armarna i ett plan, " förklarar chefen för ordföranden för fysik för syntetiska biologiska system vid TU München. Hans team har för första gången lyckats kontrollera nanobotar elektriskt och har samtidigt satt rekord:Den nya tekniken är 100 000 gånger snabbare än alla tidigare metoder.

DNA-origami-robotar för morgondagens tillverkningsanläggningar

Forskare runt om i världen arbetar med ny teknik för framtidens nanofabriker. De hoppas att dessa en dag kommer att användas för att analysera biokemiska prover eller producera aktiva medicinska medel. De miniatyrmaskiner som krävs kan redan tillverkas kostnadseffektivt med DNA-origami-tekniken.

Den enda anledningen till att dessa molekylära maskiner inte har distribuerats i stor skala hittills är att de är för långsamma. Byggstenarna aktiveras med enzymer, DNA- eller ljussträngar för att sedan utföra specifika uppgifter, till exempel för att samla och transportera molekyler.

Dock, traditionella nanobotar tar minuter att utföra dessa åtgärder, ibland till och med timmar. Därför, effektiva molekylära monteringslinjer kan inte, för alla praktiska syften, implementeras med hjälp av dessa metoder.

Elektronisk hastighetshöjning

"Att bygga upp ett nanoteknologiskt löpande band kräver en annan typ av framdrivningsteknik. Vi kom på idén att helt sluta omkoppla biokemiska nanomaskiner till förmån för växelverkan mellan DNA-strukturer och elektriska fält, " förklarar TUM-forskaren Simmel, som också är samordnare för Excellence Cluster Nanosystems Initiative Munich (NIM).

Principen bakom framdrivningstekniken är enkel:DNA-molekyler har negativa laddningar. Biomolekylerna kan alltså flyttas genom att applicera elektriska fält. Teoretiskt sett, detta bör tillåta att nanobotar gjorda av DNA kan styras med hjälp av elektriska impulser.

Robotrörelse under mikroskopet

För att avgöra om och hur snabbt robotarmarna skulle ställas i linje med ett elektriskt fält, forskarna fäste flera miljoner nanobotarmar på ett glassubstrat och placerade detta i en provhållare med elektriska kontakter utformade speciellt för ändamålet.

Var och en av miniatyrmaskinerna som producerats av huvudförfattaren Enzo Kopperger består av en 400 nanometer arm fäst vid en styv 55 x 55 nanometer basplatta med en flexibel skarv gjord av oparade baser. Denna konstruktion säkerställer att armarna kan rotera godtyckligt i horisontalplanet.

I samarbete med fluorescensspecialister under ledning av professor Don C. Lamb vid Ludwig Maximillians University München, forskarna markerade spetsarna på robotarmarna med hjälp av pigmentmolekyler. De observerade deras rörelse med hjälp av ett fluorescensmikroskop. De ändrade sedan riktningen på det elektriska fältet. Detta gjorde det möjligt för forskarna att godtyckligt ändra armarnas orientering och kontrollera förflyttningsprocessen.

"Experimentet visade att molekylära maskiner kan flyttas, och därmed också driven elektriskt, " säger Simmel. "Tack vare den elektroniska styrprocessen, vi kan nu initiera rörelser på en millisekundsskala och är därmed 100 000 gånger snabbare än med tidigare använda biokemiska metoder."

På väg till en nanofabrik

Den nya styrtekniken lämpar sig inte bara för att flytta runt pigment och nanopartiklar. Armarna på miniatyrrobotarna kan också utöva kraft på molekyler. Dessa interaktioner kan användas för diagnostik och i läkemedelsutveckling, understryker Simmel. "Nanobots är små och ekonomiska. Miljontals av dem skulle kunna arbeta parallellt för att leta efter specifika ämnen i prover eller för att syntetisera komplexa molekyler – inte olikt ett löpande band."