(Phys.org)—Voor de eerste keer, onderzoekers hebben een DNA-nanomotor gedemonstreerd die met duurzame beweging langs een baan kan "lopen". De nanomotor heeft ook de hoogste brandstofefficiëntie voor elk type wandelende nanomotor, of "nanowalker, " tot op heden gemeld, met ongeveer één brandstofmolecuul per stap.

Onderzoekers Meihan Liu et al. aan de National University of Singapore hebben een paper over de DNA nanowalker gepubliceerd in een recent nummer van: ACS Nano .

De kleine motor illustreert hoe puur fysieke effecten de efficiënte oogst van chemische energie op het niveau van één molecuul mogelijk kunnen maken. Door te werken op chemische energie, de nieuwe motor werkt totaal anders dan welke macroscopische motor dan ook, en brengt onderzoekers een stap dichter bij het repliceren van de zeer efficiënte biomotoren die vracht in levende cellen vervoeren.

Een belangrijk kenmerk van de nieuwe nanowalker is dat, zoals biomotoren in levende cellen, het is een enzym. Dit betekent dat het helpt bij het initiëren van de brandstofproducerende chemische reactie die zijn beweging genereert zonder zichzelf of zijn spoor permanent te veranderen. Deze eigenschap maakt herhaalde, duurzame beweging, wat tot nu toe nog niet is bereikt door een chemisch aangedreven synthetische nanowalker. De meeste andere nanowalkers waren "burn-bridge-motoren, " wat betekent dat het geen enzymen zijn, maar in plaats daarvan hun sporen consumeren als hun brandstof.

Het maken van enzymatische nanowalkers is een hele uitdaging, en dus is de vooruitgang op dit gebied de afgelopen jaren relatief traag geweest. De enige andere demonstratie van een enzymatische rollator was in 2009, toen onderzoekers een nanowalker ontwierpen die, ondanks dat het enzymatisch is, kan geen duurzame beweging bereiken omdat het spoor na verloop van tijd oprolt en uiteindelijk de motor stopt. Deze nanowalker gebruikt meer dan twee brandstofmoleculen per stap, en studies sindsdien hebben gesuggereerd dat twee brandstofmoleculen per stap een algemene drempel is voor enzymatische nanomotoren.

Met zijn vermogen tot duurzame beweging en een brandstofefficiëntie van ongeveer één molecuul per stap, de nieuwe nanowalker betekent een sprong voorwaarts op dit gebied.

De sleutel tot deze prestatie was het vinden van een fysiek mechanisme voor het efficiënt oogsten van chemische energie op het niveau van één molecuul. Dit mechanisme bestaat uit drie "chemomechanische poorten" die er in feite voor zorgen dat de nanowalker loopt door altijd zijn achterpoot op te pakken en niet zijn voorpoot.

Om dit te doen, deze poorten bepalen fysiek de volgorde waarin de producten vrijkomen in de chemische reactie die de nanowalker voortstuwt. Als resultaat, het achterbeen van de DNA-nanowalker dissocieert eerst van de baan en doet een stap naar voren voordat het voorbeen zich losmaakt. Als het voorste been dan het achterste been wordt, dat been doet een stap naar voren, en de loopcyclus herhaalt zich. De dissociatie van elk been vindt plaats wanneer een enzym een ​​brandstofmolecuul "knipt" dat aan het been is gebonden, zodat één molecuul alles is wat nodig is om één stap te zetten. Met behulp van een fluorescentiemicroscoop, de onderzoekers zagen dat de 20 nm lange nanowalker kon bewegen met snelheden tot 3 nm per minuut.

Zoals de onderzoekers uitleggen, het productcontrolemechanisme is uniek voor chemisch aangedreven nanomotoren. Het wordt niet gebruikt door andere soorten nanomotoren, zoals die aangedreven door licht of elektrische/magnetische velden, noch door macroscopische motoren, die typisch een grote hoeveelheid brandstofmoleculen verbranden om warmte te genereren, en vervolgens de warmte gebruiken om beweging te genereren om werk te produceren.

Productcontrole is, echter, gebruikt in de tweevoetige biomotoren in levende cellen, die ATP (adenosinetrifosfaat) als brandstof verbruiken. Wanneer het kleinere fosfaatmolecuul in ATP wordt vrijgegeven vóór het grotere ADP-molecuul (adenosinedifosfaat), de biomotor beweegt in één richting; wanneer de producten in de tegenovergestelde volgorde worden vrijgegeven, de biomotor beweegt in de tegenovergestelde richting.

Aangezien de nieuwe nanowalker een zeldzame demonstratie is van productcontrole in een synthetische motor, de onderzoekers hopen dat het de toekomstige ontwikkeling van chemisch aangedreven nanomotoren zal leiden naar het uiteindelijke doel van het repliceren van het zeer efficiënte transport dat wordt vertoond in levende cellen. Een mogelijke volgende stap op dit gebied is het fabriceren van een trein van nanowalkers om collectief vervoer te demonstreren, wat een gemeenschappelijk kenmerk is van biomotoren. Deze nanomotoren kunnen uiteindelijk leiden tot verschillende nieuwe toepassingen.

"Enzymatische nanowalkers zijn een sleutelelement voor het repliceren van de autonome, herhaalbaar en efficiënt intracellulair transport, " co-auteur Zhisong Wang, een natuurkundige aan de Nationale Universiteit van Singapore, vertelde Phys.org . "Dit vermogen is belangrijk omdat het leidt tot een verscheidenheid aan nanotechnologische toepassingen, zoals op een motor gemonteerde medicijnafgifte waar het spoor ook naartoe leidt, tot resolutie op nanoschaal voor lokalisatie; detectie en signaaltransductie (door het opvangen en concentreren van chemische middelen); geautomatiseerde meerstapssynthese en assemblagelijnen op nanoschaal; en energiegesprek voor energietechnologie."

© 2016 Fys.org