Het zwermgedrag van ongeveer 100 miljoen moleculaire machines kan worden gecontroleerd door het toepassen van eenvoudige mechanische stimuli zoals extensie en contractie. Deze methode zou kunnen leiden tot de ontwikkeling van nieuwe zwermende moleculaire machines en kleine energiebesparende apparaten.

De zwermende moleculen in beweging, uitgelijnd in één richting, vertoonde zigzagpatronen, of vormde een draaikolk die reageerde op verschillende mechanische stimuli. Ze kunnen zelfs het bewegende patroon zelf repareren na een verstoring, volgens een onderzoek onder leiding van wetenschappers van de Hokkaido University.

In recente jaren, veel wetenschappers hebben zich ingespannen om machines in de macroscopische wereld te miniaturiseren. De Nobelprijswinnaars in de chemie 2016 werden bekroond voor hun uitstekende onderzoek naar moleculaire machines en het ontwerp en de synthese van nanomachines.

In eerdere onderzoeken is het onderzoeksteam onder leiding van universitair hoofddocent Akira Kakugo van de universiteit van Hokkaido ontwikkelde moleculaire machines die bestaan ​​uit motoreiwitten die kinesines en microtubuli worden genoemd, die verschillende zwermgedrag vertoonden. "Swarming is een sleutelbegrip in moderne robotica. Het geeft moleculaire machines nieuwe eigenschappen zoals robuustheid en flexibiliteit die een individuele machine niet kan hebben, " zegt Akira Kakugo. "Echter, het opzetten van een methodologie voor het beheersen van zwermgedrag was een uitdaging."

In de huidige studie gepubliceerd in ACS Nano , het team gebruikte hetzelfde systeem bestaande uit motorproteïne-kinesines en microtubuli, beide bio-engineered. De kinesines zijn gefixeerd op een elastomeer substraatoppervlak, en de microtubuli zijn zelfaangedreven op de kinesines, aangedreven door de hydrolyse van adenosinetrifosfaat (ATP).

"Omdat we weten dat het toepassen van mechanische spanning een sleutelrol kan spelen bij patroonvorming voor actieve zaken, we onderzochten hoe vervorming van het elastomeersubstraat de zwermpatronen van moleculaire machines beïnvloedt, ' zegt Akira Kakugo.

Door het elastomeersubstraat uit te rekken en samen te trekken, mechanische stimulatie wordt toegepast op ongeveer 100 miljoen microtubuli die op het substraatoppervlak lopen. De onderzoekers ontdekten eerst dat microtubuli golfpatronen vormen als er geen spanning wordt uitgeoefend. Wanneer het substraat 1,3 keer of meer één keer wordt uitgezet en samengetrokken, bijna alle 100 miljoen microtubuli loodrecht uitgelijnd op de uitzettings- en samentrekkingsas, en wanneer het substraat herhaaldelijk 1,3 keer of minder wordt uitgezet en samengetrokken, het creëerde zigzagpatronen die in diagonale richtingen werden geplaatst.

Hun computersimulatie suggereerde dat de oriëntatiehoeken van microtubuli overeenkomen met de richting om een ​​soepele beweging te bereiken zonder te knikken, die verder wordt versterkt door de collectieve migratie van de microtubuli.

Een andere belangrijke bevinding was dat het bewegende patroon van microtubuli kan worden gemoduleerd door nieuwe mechanische stimuli toe te passen en dat het zichzelf kan herstellen, zelfs als de microtubuli-rangschikking wordt verstoord door een deel ervan te krassen.

"Onze bevindingen kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van nieuwe moleculaire machines die collectieve beweging uitvoeren en kunnen ook helpen bij het vooruitgaan van technologieën voor energiebesparende kleine apparaten, " merkte Akira Kakugo op.