Motordesign och experimentell uppställning. a,b, Schema av en piedestal respektive en triangulär plattform. Cylindrar indikerar DNA-dubbla helixar. c, Schematisk illustration av motormonteringsstegen. d,e, Rotorarmskomponenter. f, Vänster, schematisk illustration av experimentuppställningen för att observera motordynamik i ett inverterat TIRF-mikroskop. Sockeln är fixerad genom flera biotin-neutravidin-kopplingar till ett täckglas i mikroskop. Orange stjärna, Cy5 färgämnen. Blå stjärnor, märkning av positioner för DNA-PAINT imager-strängar. Till höger är två platinaelektroder nedsänkta i vätskekammaren ovanifrån och anslutna till en funktionsgenerator som genererar en fyrkantsvågig växelström för att skapa en energimodulering med fast axel som verkar på alla motorer. Kredit:Nature (2022). DOI:10.1038/s41586-022-04910-y
Ett forskarlag under ledning av Münchens tekniska universitet (TUM) har för första gången lyckats tillverka en molekylär elmotor med hjälp av DNA-origamimetoden. Den lilla maskinen gjord av genetiskt material självmonterar och omvandlar elektrisk energi till kinetisk energi. De nya nanomotorerna kan slås på och av, och forskarna kan styra rotationshastigheten och rotationsriktningen.
Oavsett om det är i våra bilar, borrar eller automatiska kaffekvarnar – motorer hjälper oss att utföra arbete i vårt dagliga liv för att utföra en mängd olika uppgifter. I mycket mindre skala utför naturliga molekylära motorer viktiga uppgifter i våra kroppar. Till exempel producerar ett motorprotein som kallas ATP-syntas molekylen adenosintrifosfat (ATP), som vår kropp använder för korttidslagring och överföring av energi.
Även om naturliga molekylära motorer är viktiga, har det varit ganska svårt att återskapa motorer i denna skala med mekaniska egenskaper som ungefär liknar dem hos naturliga molekylära motorer som ATP-syntas. Ett forskarlag har nu konstruerat en fungerande molekylär rotationsmotor i nanoskala med hjälp av DNA-origamimetoden och publicerat sina resultat i Nature . Teamet leddes av Hendrik Dietz, professor i biomolekylär nanoteknik vid TUM, Friedrich Simmel, professor i fysik i syntetiska biologiska system vid TUM och Ramin Golestanian, chef vid Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization.
En självmonterande nanomotor
Den nya molekylära motorn består av DNA – genetiskt material. Forskarna använde DNA-origamimetoden för att sätta ihop motorn från DNA-molekyler. Denna metod uppfanns av Paul Rothemund 2006 och vidareutvecklades senare av forskargruppen vid TUM. Flera långa enkla DNA-strängar tjänar som bas till vilken ytterligare DNA-strängar fäster sig som motsvarigheter. DNA-sekvenserna väljs på ett sådant sätt att de fästa strängarna och vecken skapar de önskade strukturerna.
"Vi har utvecklat denna tillverkningsmetod i många år och kan nu utveckla mycket precisa och komplexa föremål, som molekylära switchar eller ihåliga kroppar som kan fånga in virus. Om du sätter DNA-strängarna med rätt sekvenser i lösning, kommer föremålen självmontera", säger Dietz.
Den nya nanomotorn gjord av DNA-material består av tre komponenter:bas, plattform och rotorarm. Basen är cirka 40 nanometer hög och är fixerad till en glasplatta i lösning via kemiska bindningar på en glasplatta. En rotorarm på upp till 500 nanometer lång är monterad på basen så att den kan rotera. En annan komponent är avgörande för att motorn ska fungera som den ska:en plattform som ligger mellan basen och rotorarmen. Denna plattform innehåller hinder som påverkar rotorarmens rörelse. För att passera hindren och rotera måste rotorarmen böjas lite uppåt, likt en spärrhake.
Strukturell analys av DNA-origamimotorn. a, Olika vyer av en 3D-elektrondensitetskarta av motorblocket bestämd med hjälp av enpartikelkryo-EM (se även Extended Data Fig. 4 och i Electron Microscopy Data Bank (EMDB) under kod EMD-14358). b, Motorblock cryo-EM kartdetalj avbildad vid olika densitetströsklar vid vilka de tre hindren och rotordockan kan urskiljas. Infälld, schematisk som visar de sex föredragna boplatserna för rotorarmen. c, Exemplariska negativfärgande TEM-bilder av en motorvariant med lång rotorarm fäst. Skalstång, 50 nm. d, Exempel på enpartikelfluorescensbilder. Skalstång, 500 nm. Bilderna visar standardavvikelsen för medelintensiteten per pixel beräknad över alla bildrutor från inspelade TIRF-videor. e, DNA-PAINT-bilder som visar rotorarmsspetspositioner i förhållande till triangelplattformen. Skalstång, 500 nm. Kredit:Nature (2022). DOI:10.1038/s41586-022-04910-y
Riktad rörelse genom växelspänning
Utan energiförsörjning rör sig motorernas rotorarmar slumpmässigt i den ena eller andra riktningen, drivna av slumpmässiga kollisioner med molekyler från det omgivande lösningsmedlet. Men så snart växelspänning tillförs via två elektroder, roterar rotorarmarna på ett målinriktat och kontinuerligt sätt i en riktning.
"Den nya motorn har oöverträffade mekaniska egenskaper:Den kan uppnå vridmoment i intervallet 10 piconewton gånger nanometer. Och den kan generera mer energi per sekund än vad som frigörs när två ATP-molekyler delas", förklarar Ramin Golestanian, som ledde den teoretiska analysen av motorns mekanism.
Den riktade rörelsen av motorerna är resultatet av en överlagring av de fluktuerande elektriska krafterna med de krafter som utsätts av rotorarmen på grund av spärrhindren. Den underliggande mekanismen realiserar en så kallad "blinkande Brownsk spärrhake". Forskarna kan styra hastigheten och rotationsriktningen via det elektriska fältets riktning och även via växelspänningens frekvens och amplitud.
"Den nya motorn kan också ha tekniska tillämpningar i framtiden. Om vi utvecklar motorn vidare kan vi möjligen använda den i framtiden för att driva användardefinierade kemiska reaktioner, inspirerade av hur ATP-syntas gör att ATP drivs av rotation. Då kan t.ex. , kan ytor vara tätt belagda med sådana motorer. Sedan skulle man lägga till utgångsmaterial, lägga på lite växelspänning och motorerna producerar den önskade kemiska föreningen, säger Dietz. + Utforska vidare
