Ett samarbetsteam av forskare ledda av professor Cees Dekker vid Delfts tekniska universitet, i samarbete med internationella kollegor, har introducerat ett banbrytande genombrott i världen av nanomotorer – DNA-origami-nanoturbinen. Denna enhet i nanoskala skulle kunna representera ett paradigmskifte, som utnyttjar kraften från jongradienter eller elektrisk potential över en nanopor i fast tillstånd för att driva turbinen till mekaniska rotationer.
Kärnan i denna upptäckt är designen, konstruktionen och den drivna rörelsen av en "DNA origami"-turbin, som har tre kirala blad, alla inom en liten 25-nanometer ram, som arbetar i en solid-state nanopore. Genom att på ett genialiskt sätt designa två kirala turbiner har forskare nu förmågan att diktera rotationsriktningen, medurs eller moturs. Deras resultat har publicerats i Nature Nanotechnology .
Flödesdrivna turbiner ligger i hjärtat av många revolutionerande maskiner som har format våra samhällen, från väderkvarnar till flygplan. Även livet i sig är kritiskt beroende av turbiner för grundläggande processer, såsom FoF1-ATP-syntas som producerar bränslen för biologiska celler och den bakteriella flagellamotorn som driver bakterier.
"Vår nanoturbin har en rotor med en diameter på 25 nanometer gjord av DNA-material med blad konfigurerade i en höger- eller vänsterhänt mening för att styra rotationsriktningen. För att fungera är denna struktur dockad i ett starkt vattenflöde, kontrollerat av en elektriskt fält eller saltkoncentrationsskillnad, från en nanopor, en liten öppning, i ett tunt membran Vi använde vår turbin för att driva en styv stav upp till 10 varv per sekund", säger Xin Shi, huvudförfattare till artikeln.
En av de mest spännande upptäckterna av denna forskning är den unika naturen hos DNA-origami nano-turbinens rotation. Dess beteende påverkas av jonkoncentration, vilket gör att samma turbin kan snurra antingen medurs eller moturs, beroende på koncentrationen av Na + joner i lösningen.
Denna unika egenskap, exklusiv för nanoskalan, är resultatet av det invecklade samspelet mellan joner, vatten och DNA.
Dessa fynd, rigoröst understödda av omfattande simuleringar av molekylär dynamik av gruppen Aleksei Aksimentiev vid University of Illinois och teoretisk modellering av Ramin Golestanian vid MPI Göttingen, håller löftet om att utöka nanoteknologins horisonter och erbjuder många tillämpningar. Till exempel, i framtiden kanske vi kan använda DNA-origami för att tillverka nanomaskiner som kan leverera läkemedel till människokroppen, till specifika typer av celler.
Cees Dekker, som övervakade forskningen, kastar ljus över deras metodik och säger:"Tillsammans med våra medarbetare vid Hendrik Dietzs labb från Münchens tekniska universitet använde vi insikter från vårt tidigare arbete med DNA-rotationsmotorer för att nu skapa en turbin med full kontroll över dess design och funktion."
"DNA-origami"-tekniken använder de specifika interaktionerna mellan komplementära DNA-baspar för att bygga dynamiska 3D-nanoobjekt. Denna design gör att rotationsriktningen för turbinen i våra nanoporer kan kontrolleras genom bladens handenhet och möjliggör enkel integration av turbinen med andra nanomaskiner.
Denna forskningsprestation följer förra årets introduktion av den DNA-aktiva nanorotorn, en självkonfigurerande enhet som kan omvandla energi från elektriska eller saltgradienter till praktiskt mekaniskt arbete.
Efter att reflektera över arbetet sa Xin Shi:"Vi har avslöjat de grundläggande principerna bakom att driva en rotor i nanoskala med vatten och salt i nanoporer. Årets genombrott, drivet av rationell design, markerar nästa fas av vår resa."
"De grundläggande principerna från vår tidigare uppsats, i kombination med innovationerna i denna, satte scenen för framtiden för biomimetiska transmembranmaskiner, med potential att utnyttja energi från saltgradienter, en viktig energikälla som används av biologiska motorer."
Mer information: Xin Shi et al, En DNA-turbin som drivs av en transmembranpotential över en nanopor, Nature Nanotechnology (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01527-8
Journalinformation: Nanoteknik i naturen
Tillhandahålls av Delft University of Technology
