auto's, vliegtuigen en veel elektronische producten worden nu gebouwd met behulp van geavanceerde assemblagelijnen. Mobiele montagedragers, waarop de voorwerpen zijn bevestigd, vormen een belangrijk onderdeel van deze assemblagelijnen. In het geval van een carrosserie, de montagecomponenten worden in verschillende werkfasen bevestigd in een nauwkeurige ruimtelijke en chronologische volgorde, wat resulteert in een compleet voertuig aan het einde van de lijn.

Het creëren van zo'n assemblagelijn op moleculair niveau is een lang gekoesterde droom van veel nanowetenschappers. "Het zou ons in staat stellen om nieuwe complexe stoffen of materialen te assembleren voor specifieke toepassingen, " zegt professor Viola Vogel, hoofd van het Laboratorium voor Toegepaste Mechanobiologie aan de ETH Zürich. Vogel heeft samen met haar team aan dit ambitieuze project gewerkt en heeft onlangs een doorbraak bereikt. In een paper gepubliceerd in het laatste nummer van de Royal Society of Chemistry's Lab op een chip logboek, de ETH-onderzoekers presenteerden een moleculaire assemblagelijn met alle elementen van een conventionele productielijn:een mobiele assemblagedrager, een montage object, montagecomponenten bevestigd op verschillende montagestations en een motor (inclusief brandstof) voor de montagedrager om het object van het ene montagestation naar het andere te transporteren.

Productielijn drie keer dunner dan een haar

Op nanoniveau is de assemblagelijn heeft de vorm van een microfluïdumplatform waarin een waterige oplossing wordt gepompt. Dit platform is in wezen een kanaalsysteem met het hoofdkanaal van slechts 30 micrometer breed - drie keer dunner dan een mensenhaar. Verschillende in- en uitstromen leiden haaks van en naar het kanaal. Het platform is ontwikkeld door Vogel's promovendus Dirk Steuerwald en het prototype is gemaakt in de cleanroom van IBM Research Zürich in Rüschlikon.

Het kanaalsysteem is voorzien van een tapijt gemaakt van het motoreiwit kinesine. Dit eiwit heeft twee beweeglijke koppen die worden bewogen door het energierijke molecuul ATP, die de cellen van mensen en andere levensvormen van energie voorziet en het daarom de favoriete brandstof maakt in dit kunstmatige systeem.

Stap voor stap moleculen assembleren

De ETH-onderzoekers gebruikten microtubuli als assemblagedragers. Microtubuli zijn snaarachtige eiwitpolymeren die samen met kinesine vracht rond de cellen transporteren. Met zijn mobiele koppen, kinesine bindt aan de microtubuli en stuwt ze naar voren langs het oppervlak van het apparaat. Deze voortstuwing wordt verder ondersteund door de stroom die wordt gegenereerd door de vloeistof die in het kanaalsysteem wordt gepompt. Vijf in- en uitstromen richten de stroming in het hoofdkanaal en verdelen deze in strikt gescheiden segmenten:een laadruimte, van waar de montagedragers vertrekken, twee montagestations en twee eindstations, waar de lading wordt afgeleverd.

De onderzoekers kunnen de objecten aan het systeem toevoegen via de lijnen die de montagesegmenten voeden. In hun meest recente werk ze hebben het systeem getest met NeutrAvidin, het eerste molecuul dat aan de nanoshuttle bindt. Een tweede component – ​​een enkele, korte streng genetisch materiaal (DNA) - bindt zich vervolgens aan de NeutrAvidine, het creëren van een klein moleculair complex.

Technische toepassingen zijn nog ver weg

Hoewel het team van Vogel's met dit werk een lang gekoesterde droom heeft verwezenlijkt, de ETH-hoogleraar blijft voorzichtig:"Het systeem staat nog in de kinderschoenen. We zijn nog ver verwijderd van een technische toepassing." Vogel denkt dat ze alleen maar hebben aangetoond dat het principe werkt.

Ze wijst erop dat de constructie van zo'n moleculair nanoshuttle-systeem misschien eenvoudig lijkt, er wordt veel creatieve inspanning en kennis uit verschillende disciplines gestoken in elk afzonderlijk onderdeel van het systeem. Het creëren van een functionele eenheid uit losse componenten blijft een grote uitdaging. "We hebben veel nagedacht over het ontwerpen van de mechanische eigenschappen van bindingen om de lading aan de shuttles te binden en vervolgens op de juiste plaats weer te lossen."

Het gebruik van biologische motoren voor technische toepassingen is niet eenvoudig. Moleculaire motoren zoals kinesine moeten uit hun biologische context worden verwijderd en geïntegreerd in een kunstmatige entiteit zonder verlies van functionaliteit. De onderzoekers moesten ook nadenken over hoe de montagedragers gebouwd moesten worden en hoe de 'tracks' en montagestations eruit zouden zien. "Dit zijn allemaal losse problemen die we nu hebben weten te combineren tot een functionerend geheel, " zegt Vogelaar.

Geavanceerde producten van de nano-assemblagelijn

De onderzoekers voorzien tal van toepassingen, inclusief de selectieve modificatie van organische moleculen zoals eiwitten en DNA, de assemblage van nanotechnologische componenten of kleine organische polymeren, of de chemische wijziging van koolstofnanobuisjes. "We moeten het systeem blijven optimaliseren en meer leren over hoe we de afzonderlijke componenten van dit nanoshuttle-systeem kunnen ontwerpen om deze toepassingen in de toekomst mogelijk te maken, ", zegt de ETH-hoogleraar. De voorwaarden voor verder onderzoek op dit gebied zijn uitstekend:haar groep maakt nu deel uit van de nieuwe NCCR in Bazel – Molecular Systems Engineering:Engineering functionele moleculaire modules voor fabrieken.