Illustration av en bipedal nanowalker som rör sig som en krypande mask längs ett spår. Nanowalkern har två identiska enkelsträngade DNA-ben (visas som tresegmentskurva färgad i lila, cyan och grått i tur och ordning). De två benen är förbundna med en dubbelspiral DNA-brygga tillsammans med en "motor" komponent (orange och rosa) som drar ihop sig eller förlängs under alternerande ultraviolett eller synligt ljus. Rollatorn drar det bakre benet framåt vid sammandragning (som visas), och skjuter fram benet framåt vid förlängning. Fluorescerande molekyler (röda, gröna och svarta färgade sfärer) bundna till olika positioner på gångvägen används för att upptäcka nanowalkerns rörelse. Kredit:Nanoscale
NUS Physicists har designat en bipedal nanowalker som kan ändra sitt gångsätt och riktning genom att justera längden på sitt steg. Deoxiribonukleinsyra (DNA)-baserade nanowalkers är en klass av molekylära motorer som undersöks för ett brett spektrum av potentiella tillämpningar i nanoskala. Detta inkluderar automatiserad sekvensberoende syntes, löpande band i nanoskala och rollatorstyrd ytmönstring.
En bipedal nanowalker kan röra sig längs ett spår i antingen framåt- eller bakåtriktningen med hjälp av olika typer av gångarter (gångsätt). Den kan anta en hand-över-hand-gång (HOH) där vandrarens två ben växelvis leder varandra, eller följa en tummask (IW) gång där det ena benet alltid leder det andra, som en krypande mask. Att samma nanowalker ska kunna byta riktning och ha olika typer av gångarter representerar en högre nivå av nanoskopisk rörelsekontroll som förblir utmanande.
Ett team ledd av prof Wang Zhisong från institutionen för fysik, NUS har utvecklat en bipedal nanowalker som kan växla mellan framåt- och bakåtrörelse och mellan HOH och IW-gång genom att ändra rollatorns stegstorlek. Spåret som DNA-rullatorn "går" på är gjord av en periodisk uppsättning identiska enkelsträngade DNA-fotfästen åtskilda av en dubbelhelix-distans. Stegstorleken på rollatorn styrs genom att ändra längden på denna distans. Forskargruppen fann att när distansen är kort, rullatorn använder en IW-gång och rör sig mot en riktning av DNA-spåret. När distansen är långsträckt, rullatorn rör sig i motsatt riktning och övergår till en HOH-gång. När distansen är ytterligare förlängd, rullatorn fortsätter att ha en HOH-gång men byter riktning igen. Dessa fynd visar att DNA-rullatorns gångsätt och rörelseriktning kan kontrolleras genom att modifiera stegstorleken, vilket motsvarar distansens längd.
DNA-rullatorn har två identiska enkelsträngade "ben" sammankopplade av en stel molekylär brygga som kan växla mellan en lång dubbelhelixstruktur och en kort quadruplexstruktur under olika ljusförhållanden. Genom att växla mellan ultraviolett och synligt ljus, DNA-rullatorn genomgår en reversibel förlängning och sammandragning när den växlar mellan dubbelhelix- och quadruplexstrukturerna. På grund av en asymmetri i bindningspotentialen för dess "ben" till banan, en gångrörelse skapas när DNA-rullatorn dras framåt och bakåt.
Prof Wang sa, "I princip, både energiförsörjningen och kontrollen av spacerstorleken skulle kunna införlivas i molekylspåret för att utveckla mekaniskt drivna nanowalkers med välkontrollerad gång och riktning. Detta skulle potentiellt kunna implementeras genom att konstruera molekylspåren med hjälp av atomkraftmikroskop eller magnetisk/optisk pincett."
