Bilden visar den magnetiska pincettuppställningen för kraftdetektering av en enskild molekylmotor (vänster) och två inspelade banor som visar motorns snabba stegvisa rörelse (höger, mot en motsatt kraft på 1,5 pN). Den övre och nedre panelen till höger visar de inspelade individuella steghändelserna av den molekylära motorn med fluktuationer i rörelsehastigheten som är typisk för experiment med en enda molekyl. En enkel tvåfotad nanomotor med ett långt spår är sammansatt av många korta enkelsträngade DNA-molekyler under en paramagnetisk pärla. Motorn rör sig autonomt genom att konsumera ett kort enkelsträngat DNA som bränsle med hjälp av ett proteinenzym. Den molekylära motorns rörelse är mot en bakåtkraft som appliceras på pärlan, vilket möjliggör mätning av motorns belastningsmotståndskraftiga rörelse och kraftutmatning. Kredit:Nanoscale (2021). DOI:10.1039/D1NR02296B
Fysiker från National University of Singapore har visat att en enda konstgjord molekylär motor kan uppvisa en kraft som liknar naturligt förekommande som driver mänskliga muskler. Deras resultat publiceras i Nanoscale .
Molekylära motorer är en klass av maskiner med dimensioner i nanoskala som är väsentliga medel för rörelse i levande organismer. De utnyttjar olika energikällor i kroppen för att generera mekanisk rörelse. En nyckelegenskap är den kraft som genereras av en enda motor under dess självgående rörelse. Denna kraftgenereringsförmåga tillåter molekylmotorn att leverera mekaniskt arbete och är ett mått på dess energiomvandlingseffektivitet, vilket påverkar dess användning i potentiella tillämpningar.
Mätningen av kraften som genereras av naturligt förekommande molekylära motorer, som vanligtvis är gjorda av proteiner, uppnåddes för två decennier sedan. Liknande mätningar för konstgjorda konstgjorda molekylära motorer gjorda av DNA (deoxiribonukleinsyra) är dock fortfarande en utmaning. Ett forskningssamarbete mellan Molecular Motors Laboratory av docent Zhisong Wang och Single-Molecule Biophysics Laboratory av professor Jie Yan, båda från institutionen för fysik, NUS har lyckats detektera kraften som genereras av en rörlig DNA-molekylär motor.
Det är svårt att upptäcka krafterna som skapas av en enda molekylär motor i rörelse för artificiella motorer eftersom de är små och mestadels verkar på mjuka spår (t.ex. dubbelsträngat DNA). Mjuka spår är inte fixerade på plats och tenderar att rullas ihop till en cirkulär form. Detta påverkar den konstgjorda motorns rörelse. Forskargruppen övervann denna svårighet genom att designa och utföra parallella experiment med en enda molekyl som höll spåren på plats på nanoskalanivå samtidigt som de detekterade den minimala kraft som skapas av den rörliga molekylmotorn. Med hjälp av den magnetiska pincetttekniken satte de först ihop en artificiell molekylär motor och dess spår under en paramagnetisk pärla (verktyg för isolering av biomolekyler). De bytte sedan den paramagnetiska pärlan till ett kraftdetekteringsläge (se figur).
Forskargruppen har framgångsrikt tillämpat sin metod på en autonom DNA-molekylmotor (tidigare utvecklad av prof. Wangs labb). Denna tvåfotade molekylära motor kan "gå" i följd på egen hand med en steglängd på cirka 16 nm mellan varje steg, vilket ger en maximal kraftutmatning på cirka 2 till 3 pN. Denna uppmätta kraftutmatning är på en nivå som är nära naturligt förekommande molekylära motorer som driver mänskliga muskler, vilket indikerar en någorlunda effektiv omvandling av kemisk energi till mekanisk rörelse.
Prof. Wang sa:"Denna studie banar väg för utvecklingen av tillämpningar förknippade med translationella artificiella molekylära motorer som kräver generering av krafter. Exempel inkluderar molekylära robotar och biohärmare konstgjorda muskler. Separat är metoden med en enda molekyl som etablerats i detta arbete. tillämpas på kraftmätning av många andra artificiella molekylära motorer med mjuka spår." + Utforska vidare
