Samen met collega's uit de VS, wetenschappers van de Universiteit van Bonn en het onderzoeksinstituut Caesar in Bonn hebben nanostructuren gebruikt om een ​​kleine machine te bouwen die een roterende motor vormt en in een bepaalde richting kan bewegen. De onderzoekers gebruikten cirkelvormige structuren uit DNA. De resultaten worden nu gepresenteerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie .

Nanomachines bevatten structuren van complexe eiwitten en nucleïnezuren die worden aangedreven door chemische energie en gerichte bewegingen kunnen uitvoeren. Het principe is bekend uit de natuur:Bacteriën, bijvoorbeeld, voortbewegen met behulp van een flagellum. Het team van de Universiteit van Bonn, het onderzoeksinstituut Caesar in Bonn en de University of Michigan (VS) gebruikten structuren gemaakt van DNA-nanoringen. De twee ringen zijn als een ketting met elkaar verbonden. "Eén ring vervult de functie van een wiel, de andere drijft het aan als een motor met behulp van chemische energie, " legt Prof. Dr. Michael Famulok van het Life &Medical Sciences (LIMES) Institute van de Universiteit van Bonn uit.

Het kleine voertuig meet slechts ongeveer 30 nanometer (miljoensten van een millimeter). De "brandstof" wordt geleverd door het eiwit T7 RNA-polymerase. Gekoppeld aan de ring die dienst doet als motor, dit enzym synthetiseert een RNA-streng op basis van de DNA-sequentie en gebruikt de chemische energie die daarbij vrijkomt voor de rotatiebeweging van de DNA-ring. "Naarmate de rotatie vordert, de RNA-streng groeit als een draad van het RNA-polymerase, " meldt hoofdauteur Dr. Julián Valero van het team van Famulok. De onderzoekers gebruiken deze steeds groter wordende RNA-thread, die in principe als afvalproduct uit de motor steekt, om het kleine voertuig op zijn koers te houden door markeringen op een DNA-nanobuisspoor te gebruiken.

Als bijlage bij dit draadje, de eenwielermachine besloeg ongeveer 240 nanometer tijdens zijn proefrit. "Dat was een eerste poging, ", zegt Famulok. "Het spoor kan naar wens worden verlengd." In de volgende stap richten de onderzoekers zich niet alleen op het vergroten van de lengte van de route, maar plan ook meer complexe uitdagingen op de testbaan. Bij ingebouwde knooppunten, de nanomachine moet beslissen welke weg te gaan. "We kunnen onze methoden gebruiken om vooraf te bepalen welke bocht de machine moet nemen, " zegt Valero met een blik op de toekomst.

Natuurlijk, de wetenschappers kunnen het kleine voertuig niet met het blote oog aan het werk zien. Door een atoomkrachtmicroscoop te gebruiken die de oppervlaktestructuur van de nanomachine heeft gescand, de wetenschappers konden de in elkaar grijpende DNA-ringen visualiseren. In aanvulling, het team gebruikte fluorescerende markeringen om te laten zien dat het "wiel" van de machine daadwerkelijk draaide. Fluorescerende "waymarkers" langs het pad van de nanobuis lichtten op zodra de nano-eenwieler ze passeerde. Op basis daarvan, de snelheid van het voertuig kon ook worden berekend:een omwenteling van het wiel duurde ongeveer tien minuten. Dat is niet erg snel, maar toch een grote stap voor de onderzoekers. "Het verplaatsen van de nanomachine in de gewenste richting is niet triviaal, ' zegt Famulok.

De constructie van de machine is gebaseerd op het principe van zelforganisatie. Net als in levende cellen, de gewenste structuren ontstaan ​​spontaan wanneer de bijbehorende componenten beschikbaar worden gesteld. "Het werkt als een denkbeeldige puzzel, ", legt Famulok uit. Elk puzzelstukje is ontworpen om te communiceren met zeer specifieke partners. Als je deze onderdelen samenbrengt in een enkel vat, elk deeltje vindt zijn partner en de gewenste structuur wordt automatisch samengesteld.

Tegen deze tijd, wetenschappers over de hele wereld hebben talloze nanomachines en nanoengines ontwikkeld. Maar de methode die is ontwikkeld door het team van Famulok is een volledig nieuw principe. "Dit is een grote stap. Het is niet eenvoudig om zoiets betrouwbaar te ontwerpen en te realiseren op nanometerschaal, ", zegt de wetenschapper. Zijn team wil binnenkort nog complexere nanoengine-systemen ontwikkelen. "Dit is fundamenteel onderzoek. Het is niet mogelijk om precies te zien waar het toe zal leiden."

Mogelijke toepassingen zijn moleculaire computers die logische bewerkingen uitvoeren op basis van moleculaire bewegingen. Aanvullend, kleine machines kunnen medicijnen door de bloedbaan precies naar de plaats brengen waar ze nodig zijn. "Maar dit zijn nog steeds toekomstbeelden, ' zegt Famulok.