Een wandelend molecuul, zo klein dat het niet direct met een microscoop kan worden waargenomen, is opgenomen met de eerste stappen van nanometerformaat.

Het is de eerste keer dat iemand in realtime heeft laten zien dat zo'n klein object - een 'small molecule walker' genoemd - een reeks stappen heeft gezet. De doorbraak, gemaakt door chemici van de Universiteit van Oxford, is een belangrijke mijlpaal op de lange weg naar de ontwikkeling van 'nanorobots'.

'In de toekomst kunnen we ons kleine machines voorstellen die vracht ter grootte van individuele moleculen kunnen ophalen en vervoeren, die kunnen worden gebruikt als bouwstenen van meer gecompliceerde moleculaire machines; stel je voor dat kleine pincetten in cellen werken, ', zei dr. Gokce Su Pulcu van de afdeling scheikunde van de universiteit van Oxford. 'Het uiteindelijke doel is om met moleculaire walkers nanotransportnetwerken te vormen, ' ze zegt.

Echter, voordat nanorobots kunnen rennen, moeten ze eerst lopen. Zoals Su uitlegt, bewijzen dat dit geen gemakkelijke taak is.

Onderzoekers tonen al jaren aan dat bewegende machines en rollators uit DNA kunnen worden opgebouwd. Maar, relatief gezien, DNA is veel groter dan walkers met kleine moleculen en DNA-machines werken alleen in water.

Het grote probleem is dat microscopen alleen bewegende objecten kunnen detecteren tot op het niveau van 10-20 nanometer. Dit betekent dat kleine molecuulwandelaars, waarvan de stappen 1 nanometer lang zijn, kan alleen worden gedetecteerd na het nemen van ongeveer 10 of 15 stappen. Het zou daarom onmogelijk zijn om met een microscoop te zien of een wandelaar naar een nieuwe locatie is 'gesprongen' of 'zweefd' in plaats van alle tussenstappen te hebben genomen.

Zoals ze deze week melden Natuur Nanotechnologie , Su en haar collega's van de Bayley Group in Oxford hebben een nieuwe benadering gekozen om elke stap van een wandelaar in realtime te detecteren. Hun oplossing? Een rollator bouwen van een arseenbevattend molecuul en de beweging ervan detecteren op een spoor dat in een nanoporie is gebouwd.

Nanopores vormen al de basis van baanbrekende DNA-sequencingtechnologie die is ontwikkeld door de Bayley Group en het spin-outbedrijf Oxford Nanopore Technologies. Hier, kleine eiwitporiën detecteren moleculen die er doorheen gaan. Elke base verstoort een elektrische stroom die door de nanopore gaat met een andere hoeveelheid, zodat de DNA-base 'letters' (A, C, G of T) kan worden afgelezen.

In dit nieuwe onderzoek ze gebruikten een nanoporie met daarin een spoor gevormd uit vijf 'voetsteunen' om te detecteren hoe een wandelaar eroverheen bewoog.

'We kunnen de rollator niet 'zien', maar door veranderingen in de ionenstroom die door de porie stroomt in kaart te brengen terwijl het molecuul van voet aan de grond gaat, kunnen we in kaart brengen hoe het van de ene naar de andere stapt en weer terug, ' legt Su uit.

Om ervoor te zorgen dat de rollator niet wegdrijft, ze hebben het ontworpen om 'voeten' te hebben die aan de baan blijven kleven door chemische bindingen te maken en te verbreken. Su zegt:'Het is een beetje alsof je op een tapijt stapt met lijm onder je schoenen:bij elke stap blijft de voet van de wandelaar plakken en weer los, zodat hij naar de volgende steunpunt kan gaan.' Deze benadering zou het mogelijk kunnen maken om een ​​machine te ontwerpen die op verschillende oppervlakken kan lopen.

Het is een hele prestatie voor zo'n kleine machine, maar zoals Su de eerste is om toe te geven, er zijn nog veel meer uitdagingen die moeten worden overwonnen voordat programmeerbare nanorobots een realiteit zijn.

'Momenteel hebben we niet veel controle over in welke richting de rollator beweegt; het beweegt vrij willekeurig, ' Zegt Su me. 'De eiwitbaan lijkt een beetje op een berghelling; er is een richting die gemakkelijker is om in te lopen, dus wandelaars zullen de neiging hebben om deze kant op te gaan. We hopen deze voorkeur te kunnen benutten om sporen aan te leggen die een wandelaar sturen waar we hem willen hebben.'

De volgende uitdaging daarna zal voor een wandelaar zijn om zichzelf nuttig te maken door, bijvoorbeeld, een lading vervoeren:er is al ruimte voor het om een ​​molecuul op zijn 'kop' te dragen dat het vervolgens naar een gewenste locatie kan brengen om een ​​taak te volbrengen.

Su merkt op:'We zouden een oppervlak moeten kunnen ontwerpen waarop we de beweging van deze wandelaars kunnen controleren en ze onder een microscoop kunnen observeren door de manier waarop ze interageren met een zeer dunne fluorescerende laag. Dit zou het mogelijk maken om chips te ontwerpen met verschillende stations met wandelaars die vracht tussen deze stations vervoeren; dus het begin van een nanotransportsysteem.'

Dit zijn de eerste voorzichtige babystapjes van een nieuwe technologie, maar ze beloven dat er nog veel grotere stappen kunnen komen.