Naarmate het ontwerp van nanomachines snel vordert, onderzoekers gaan van de vraag of de nanomachine werkt naar hoe lang het zal werken. Dit is een bijzonder belangrijke vraag omdat er zoveel potentiële toepassingen zijn, bijvoorbeeld, voor medisch gebruik, inclusief medicijnafgifte, vroege diagnose, ziekte monitoring, instrumentatie, en operatie. In een nieuwe studie onder leiding van Henry Hess, universitair hoofddocent biomedische technologie aan Columbia Engineering, onderzoekers observeerden een moleculaire shuttle aangedreven door kinesine-motoreiwitten en ontdekten dat deze degradeerde tijdens het werken, de eerste keer markeren, ze zeggen, dat degradatie in detail is bestudeerd in een actieve, autonome nanomachine.

"Onze nanoshuttle degradeerde net als een auto die uit elkaar valt na een paar honderdduizend kilometer rijden - behalve dat, voor onze moleculaire shuttle, het equivalent van honderdduizend mijl blijkt een millimeter te zijn, " zegt Hes, die aan het onderzoek meewerkte met zijn oud-student Emmanuel Dumont PhD'14, nu een Innovation Fellow bij Cornell Technion, en Catherine Do, postdoctoraal onderzoeker aan het Institute for Cancer Genetics van het Columbia University Medical Center. Het artikel - "Moleculaire slijtage van microtubuli voortgestuwd door aan het oppervlak gehechte kinesins" - is gepubliceerd op 26 januari in Natuur Nanotechnologie 's Advance Online Publicatie.

Onderzoekers werken al aan het creëren van kunstmatige spieren en andere actieve materialen, en, nuttig te maken, praktische systemen, het is van cruciaal belang dat ze begrijpen hoe ze de systemen duurzaam kunnen maken. "Wat dit betekent, "Hess legt uit, "is dat als we proberen het ontwerp van biologische nanomachines die in cellen werken te begrijpen en vervolgens als we nieuwe synthetische nanomachines proberen uit te vinden, we moeten rekening houden met hun leven en ervoor zorgen dat ze lang meegaan of dat ze zichzelf kunnen vernieuwen."

Biomoleculaire systemen kunnen op nanoschaal een reeks actieve bewegingen ondergaan die mogelijk worden gemaakt door de omzetting van chemische energie in mechanisch werk door polymerisatieprocessen en motoreiwitten. Hess en zijn team gebruikten een in vitro systeem om beweging op nanoschaal en de gevolgen ervan te bestuderen en ontdekten dat de mechanische activiteit van biomoleculaire motoren slijtage op moleculaire schaal veroorzaakt, vergelijkbaar met het verslijten van een draaiende automotor. In mensen, biomoleculaire motoren zijn ook verantwoordelijk voor de samentrekking van spieren en de levering van pakketjes in cellen, en, om veroudering en ziekte te voorkomen, deze processen moeten een leven lang soepel verlopen. Biologische mechanismen zoals de continue vervanging van moleculaire onderdelen zijn geëvolueerd om de snelle afbraak van de nanomachines van het lichaam te voorkomen.

"Ons onderzoek heeft aangetoond dat slijtage een belangrijk punt is waarmee rekening moet worden gehouden bij het ontwerp van nanomachines, " Hess voegt toe. "En het is duidelijk dat een beter begrip van nano-engineering ons zal helpen veroudering en degeneratie in biologische systemen beter te begrijpen."