Первый электрический наномотор из материала ДНК

Ученые впервые успешно создали молекулярный электродвигатель методом ДНК-оригами. Двигатель состоит из генетического материала, который самособирается и преобразует электрическую энергию в кинетическую.

Пол Ротемунд создал эту методику в 2006 году, а позже исследовательская группа ТУМ усовершенствовала ее. ДНК состоит из нескольких длинных одиночных цепей, которые служат основой для связывания других цепей ДНК в качестве аналогов. Последовательности ДНК выбирают таким образом, чтобы соединенные нити и складчатые области приводили к желаемым структурам.

Хендрик Дитц, профессор биомолекулярных нанотехнологий в ТУМ, сказал: «Мы продвигали этот метод производства в течение многих лет и теперь можем разрабатывать особые и сложные объекты, такие как молекулярные переключатели или полые тела, которые могут улавливать вирусы. Если вы поместите в раствор правильные последовательности нитей ДНК, объекты соберутся сами собой».

Новый наномотор из материала ДНК состоит из трех компонентов: основания, платформы и плеча ротора. Основание имеет высоту около 40 нанометров и прикреплено к стеклянной пластине в растворе химическими связями на стеклянной пластине. Роторный рычаг длиной до 500 нанометров крепится к основанию, чтобы он мог вращаться. Еще одним важным компонентом для правильной работы двигателя является платформа между основанием и плечом несущего винта. Эта платформа содержит препятствия, влияющие на движение рычага ротора. Рычаг ротора должен немного изгибаться вверх, чтобы проходить сквозь препятствия и вращаться, как храповик.

Лопасти ротора двигателя хаотично движутся в том или ином направлении без подачи питания. Это происходит из-за случайных столкновений с молекулами в окружающем растворителе. Когда переменное напряжение подается на два электрода, плечи ротора вращаются направленно и непрерывно в одном направлении.

Рамин Голестанян, руководивший теоретическим анализом механизма двигателя, сказал: «Новый двигатель обладает беспрецедентными механическими возможностями: он может развивать крутящий момент в диапазоне 10 пиконьютонов, умноженных на нанометры. И он может генерировать больше энергии в секунду, чем при расщеплении двух молекул АТФ».

Направленное движение двигателей является результатом наложения электрических сил с силами плеча ротора, которому он подвергается из-за храповых барьеров. Предполагаемый «мигающий броуновский храповик» реализуется посредством основного процесса. Направление электрического поля, а также частота и амплитуда переменного напряжения позволяли ученым контролировать скорость и направление вращения.

Дитц сказал, «В будущем новый двигатель может найти и техническое применение. Если мы доработаем двигатель дальше, мы сможем использовать его в будущем для управления определяемыми пользователем химическими реакциями, вдохновленными тем, как АТФ-синтаза делает АТФ вращательным. Так, например, этими двигателями можно плотно покрывать поверхности. Затем вы добавляли исходные материалы, прикладывали переменное напряжение, и двигатели производили желаемое химическое вещество».

Ссылка на дневник:

Анна-Катарина Пумм, Воутер Энгелен, Энцо Коппергер, Йонас Изензее, Маттиас Фогт, Виктория Козина, Массимо Кубе, Максимилиан Н. Хонеманн, Ева Бертосин, Мартин Лангекер, Рамин Голестанян, Фридрих К. Зиммель и Хендрик Дитц. Храповой двигатель с храповым механизмом ДНК-оригами. Природа (2022). DOI: 10.1038/s41586-022-04910-y

Похожие сообщения