In ons allemaal bevinden zich biljoenen kleine moleculaire nanomachines die een verscheidenheid aan taken uitvoeren die nodig zijn om ons in leven te houden.

In een baanbrekend onderzoek een team onder leiding van SFU-professor natuurkunde David Sivak demonstreerde voor het eerst een strategie voor het manipuleren van deze machines om de efficiëntie te maximaliseren en energie te besparen. De doorbraak kan gevolgen hebben op een aantal terreinen, waaronder het maken van efficiëntere computerchips en zonnecellen voor energieopwekking.

Nanomachines zijn klein, heel klein - een paar miljardsten van een meter breed, in feite. Ze zijn ook snel en in staat om ingewikkelde taken uit te voeren:alles van het verplaatsen van materialen door een cel, moleculen bouwen en afbreken, en het verwerken en uitdrukken van genetische informatie.

De machines kunnen deze taken uitvoeren terwijl ze opmerkelijk weinig energie verbruiken, dus een theorie die energetische efficiëntie voorspelt, helpt ons te begrijpen hoe deze microscopische machines werken en wat er mis gaat als ze kapot gaan, zegt Sivak.

In het labortorium, De experimentele medewerkers van Sivak manipuleerden een DNA-haarspeld, waarvan het vouwen en ontvouwen de mechanische beweging van meer gecompliceerde moleculaire machines nabootst. Zoals voorspeld door de theorie van Sivak, ze ontdekten dat maximale efficiëntie en minimaal energieverlies optreden als ze snel aan de haarspeld trokken wanneer deze was gevouwen, maar langzaam wanneer deze op het punt stond te ontvouwen.

Steven Groot, een SFU-student natuurkunde en co-eerste auteur op het papier, legt uit dat DNA-haarspelden (en nanomachines) zo klein en slap zijn dat ze constant worden verdrongen door gewelddadige botsingen met omringende moleculen.

"Het gedrang de haarspeld laten ontvouwen is een energie- en tijdbesparing, ' zegt Groot.

Sivak denkt dat de volgende stap is om de theorie toe te passen om te leren hoe een moleculaire machine door zijn operationele cyclus te rijden, terwijl de daarvoor benodigde energie wordt verminderd.

Dus, wat is het voordeel van het efficiënter maken van nanomachines? Sivak zegt dat potentiële toepassingen op verschillende gebieden het spel kunnen veranderen.

"Toepassingen kunnen zijn het ontwerpen van efficiëntere computerchips en computergeheugen (vermindering van de stroomvereisten en de warmte die ze afgeven), het maken van betere materialen voor hernieuwbare energie voor processen zoals kunstmatige fotosynthese (het verhogen van de energie die van de zon wordt geoogst) en het verbeteren van de autonomie van biomoleculaire machines voor biotech-toepassingen zoals het toedienen van medicijnen."

De studie is gepubliceerd in Proceedings van de National Academy of Sciences.