Wetenschappers van de Technische Universiteit van München (TUM) hebben een nieuwe elektrische voortstuwingstechnologie ontwikkeld voor nanorobots. Hierdoor kunnen moleculaire machines honderdduizend keer sneller bewegen dan met de tot nu toe gebruikte biochemische processen. Dit maakt nanobots snel genoeg om aan de lopende band te werken in moleculaire fabrieken. De nieuwe onderzoeksresultaten verschijnen op 19 januari als cover story in het gerenommeerde wetenschappelijke tijdschrift Wetenschap .

Omhoog en omlaag, omhoog en omlaag. De lichtpunten wisselen elkaar in lockstep heen en weer af. Ze worden geproduceerd door gloeiende moleculen die aan de uiteinden van kleine robotarmen zijn bevestigd. Prof. Friedrich Simmel observeert de beweging van de nanomachines op de monitor van een fluorescentiemicroscoop. Een simpele muisklik is voldoende om de lichtpunten in een andere richting te laten bewegen.

"Door elektrische velden toe te passen, we kunnen de armen willekeurig roteren in een vlak, " legt het hoofd van de leerstoel fysica van synthetische biologische systemen aan de TU München uit. Zijn team is er voor het eerst in geslaagd nanobots elektrisch te besturen en heeft tegelijkertijd een record gevestigd:de nieuwe techniek is 100.000 keer sneller dan alle voorgaande methoden.

DNA-origami-robots voor de fabrieken van morgen

Wetenschappers over de hele wereld werken aan nieuwe technologieën voor de nanofabrieken van de toekomst. Ze hopen dat deze ooit zullen worden gebruikt om biochemische monsters te analyseren of actieve medische middelen te produceren. Met de DNA-origamitechniek kunnen de benodigde miniatuurmachines nu al kostenbesparend worden geproduceerd.

De enige reden waarom deze moleculaire machines tot op heden niet op grote schaal zijn ingezet, is dat ze te traag zijn. De bouwstenen worden geactiveerd met enzymen, strengen DNA of licht om vervolgens specifieke taken uit te voeren, bijvoorbeeld om moleculen te verzamelen en te transporteren.

Echter, traditionele nanobots hebben minuten nodig om deze acties uit te voeren, soms zelfs uren. Daarom, efficiënte moleculaire assemblagelijnen kunnen niet, voor alle praktische doeleinden, worden uitgevoerd met behulp van deze methodieken.

Elektronische snelheidsboost

"Het bouwen van een nanotechnologische assemblagelijn vraagt ​​om een ​​ander soort voortstuwingstechnologie. We kwamen op het idee om biochemische nanomachine-switching volledig te laten vallen ten gunste van de interacties tussen DNA-structuren en elektrische velden, " legt TUM-onderzoeker Simmel uit, die ook de co-coördinator is van het Excellence Cluster Nanosystems Initiative München (NIM).

Het principe achter de voortstuwingstechnologie is eenvoudig:DNA-moleculen hebben een negatieve lading. De biomoleculen kunnen dus worden verplaatst door elektrische velden aan te leggen. theoretisch, hiermee moeten nanobots gemaakt van DNA met elektrische impulsen kunnen worden aangestuurd.

Robotbeweging onder de microscoop

Om te bepalen of en hoe snel de robotarmen in lijn zouden zijn met een elektrisch veld, de onderzoekers bevestigden enkele miljoenen nanobotarmen op een glazen substraat en plaatsten dit in een monsterhouder met elektrische contacten die speciaal voor dit doel waren ontworpen.

Elk van de miniatuurmachines die door hoofdauteur Enzo Kopperger zijn geproduceerd, bestaat uit een arm van 400 nanometer die is bevestigd aan een stijve basisplaat van 55 bij 55 nanometer met een flexibele verbinding gemaakt van ongepaarde basen. Deze constructie zorgt ervoor dat de armen willekeurig kunnen roteren in het horizontale vlak.

In samenwerking met fluorescentiespecialisten onder leiding van Prof. Don C. Lamb van de Ludwig Maximillians Universiteit München, de onderzoekers markeerden de uiteinden van de robotarmen met behulp van pigmentmoleculen. Ze observeerden hun beweging met behulp van een fluorescentiemicroscoop. Vervolgens veranderden ze de richting van het elektrische veld. Hierdoor konden de onderzoekers willekeurig de oriëntatie van de armen veranderen en het voortbewegingsproces regelen.

"Het experiment toonde aan dat moleculaire machines kunnen worden verplaatst, en dus ook elektrisch aangedreven, ", zegt Simmel. "Dankzij het elektronische regelproces, we kunnen nu bewegingen initiëren op een tijdschaal van milliseconden en zijn dus 100.000 keer sneller dan met eerder gebruikte biochemische benaderingen."

Op weg naar een nanofabriek

De nieuwe regeltechniek is niet alleen geschikt voor het verplaatsen van pigmenten en nanodeeltjes. De armen van de miniatuurrobots kunnen ook kracht uitoefenen op moleculen. Deze interacties kunnen worden gebruikt voor diagnostiek en bij farmaceutische ontwikkeling, benadrukt Simmel. "Nanobots zijn klein en zuinig. Miljoenen van hen zouden parallel kunnen werken om naar specifieke stoffen in monsters te zoeken of om complexe moleculen te synthetiseren - vergelijkbaar met een assemblagelijn."