Det svärmande beteendet hos cirka 100 miljoner molekylära maskiner kan kontrolleras genom att applicera enkla mekaniska stimuli som förlängning och sammandragning. Denna metod kan leda till utvecklingen av nya svärmande molekylära maskiner och små energibesparande enheter.

De svärmande molekylerna i rörelse riktade sig i en riktning, uppvisade sicksackmönster, eller bildat en virvel som svarar på varierande mekaniska stimuli. De kunde till och med själv reparera det rörliga mönstret efter en störning, enligt en studie ledd av Hokkaido Universitys forskare.

På senare år har många forskare har ansträngt sig för att miniatyrisera maskiner som finns i den makroskopiska världen. 2016 års nobelpristagare i kemi belönades för sin enastående forskning om molekylära maskiner och design och syntes av nanomaskiner.

I tidigare studier, forskargruppen ledd av docent Akira Kakugo vid Hokkaido University utvecklade molekylära maskiner som består av motorproteiner som kallas kinesiner och mikrotubuli, som visade olika svärmbeteenden. "Svärmning är ett nyckelbegrepp inom modern robotteknik. Det ger molekylära maskiner nya egenskaper som robusthet och flexibilitet som en enskild maskin inte kan ha, " säger Akira Kakugo. "Men, att etablera en metod för att kontrollera svärmningsbeteenden har varit en utmaning."

I den aktuella studien publicerad i ACS Nano , teamet använde samma system som består av motorproteinkinesiner och mikrotubuli, båda biokonstruerade. Kinesinerna är fixerade på en elastomer substratyta, och mikrotubulierna är självgående på kinesinerna, drivs av hydrolysen av adenosintrifosfat (ATP).

"Eftersom vi vet att applicering av mekanisk stress kan spela en nyckelroll i mönsterbildning för aktiva ämnen, vi undersökte hur deformation av elastomersubstratet påverkar svärmningsmönstren hos molekylära maskiner, " säger Akira Kakugo.

Genom att förlänga och dra ihop elastomersubstratet, mekanisk stimulering appliceras på cirka 100 miljoner mikrotubuli som löper på substratytan. Forskarna fann först att mikrotubuli bildar vågmönster när ingen stress appliceras. När substratet expanderas och dras ihop 1,3 gånger eller mer en gång, nästan alla de 100 miljoner mikrotubuli som är vinkelrät inriktade mot expansions- och kontraktionsaxeln, och när substratet expanderas och dras ihop 1,3 gånger eller mindre upprepade gånger, det skapade sicksackmönster placerade i diagonala riktningar.

Deras datorsimulering antydde att orienteringsvinklarna för mikrotubuli motsvarar riktningen för att uppnå jämn rörelse utan att bucklas, vilket ytterligare förstärks av mikrotubuliernas kollektiva migration.

Ett annat viktigt fynd var att det rörliga mönstret av mikrotubuli kan moduleras genom att applicera nya mekaniska stimuli och det kan repareras själv även om mikrotubuliarrangemanget störs genom att en del av det skrapas.

"Våra fynd kan bidra till utvecklingen av nya molekylära maskiner som utför kollektiva rörelser och kan också hjälpa till att utveckla teknologier för energibesparande små enheter, " kommenterade Akira Kakugo.