Onderzoekers van de TU Delft hebben de kleinste flow-gedreven motoren ter wereld gebouwd. Geïnspireerd door iconische Nederlandse windmolens en biologische motoreiwitten, creëerden ze een zelfconfigurerende, stromingsgestuurde rotor van DNA die energie van een elektrische of zoutgradiënt omzet in nuttig mechanisch werk. De resultaten openen nieuwe perspectieven voor de engineering van actieve robotica op nanoschaal. Het artikel is nu gepubliceerd in Nature Physics .

Ongrijpbare constructie

Rotatiemotoren zijn al millennia de krachtpatsers van menselijke samenlevingen, van de windmolens en waterraderen tot de meest geavanceerde offshore windturbines van vandaag die de toekomst van groene energie aandrijven. "Deze door een stroming aangedreven rotatiemotoren zijn ook prominent aanwezig in biologische cellen. Een voorbeeld is het FoF1-ATP-synthase, dat de brandstof produceert die cellen nodig hebben om te werken. Maar de synthetische constructie op nanoschaal is tot nu toe ongrijpbaar gebleven." zegt Dr. Xin Shi, postdoc in het lab van prof. Cees Dekker van de afdeling Bionanoscience van de TU Delft.

"Onze door stroom aangedreven motor is gemaakt van DNA-materiaal. Deze structuur is vastgemaakt aan een nanoporie, een kleine opening, in een dun membraan. De DNA-bundel, slechts 7 nanometer dik, organiseert zichzelf onder een elektrisch veld in een rotorachtige configuratie, die vervolgens in een aanhoudende roterende beweging van meer dan 10 omwentelingen per seconde wordt gezet", zegt Shi, eerste auteur van de publicatie in Nature Physics .

DNA-origami

"Al zeven jaar proberen we dergelijke roterende nanomotoren synthetisch van onderaf te bouwen. We gebruiken een techniek genaamd DNA-origami, in samenwerking met het laboratorium van Hendrik Dietz van de Technische Universiteit van München", voegt Cees Dekker toe, die het onderzoek begeleidde. . Deze techniek maakt gebruik van de specifieke interacties tussen complementaire DNA-basenparen om 2D- en 3D-nano-objecten te bouwen. De rotoren halen energie uit een water- en ionenstroom die tot stand wordt gebracht door een aangelegde spanning of nog eenvoudiger:door verschillende zoutconcentraties aan de twee zijden van het membraan te hebben. De laatste is een van de meest voorkomende energiebronnen in de biologie die verschillende kritieke processen aandrijft, zoals cellulaire brandstofsynthese en celvoortstuwing.

Een puzzel oplossen

Deze prestatie is een mijlpaal, want het is de allereerste experimentele realisatie van door stroming aangedreven actieve rotoren op nanoschaal. Toen de onderzoekers de rotaties voor het eerst observeerden, waren ze echter verbaasd:hoe konden zulke eenvoudige DNA-staafjes deze mooie, aanhoudende rotaties vertonen? De puzzel werd opgelost in gesprekken met theoreticus Ramin Golestanian en zijn team van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization in Göttingen. Ze modelleerden het systeem en onthulden het fascinerende zelforganisatieproces waarbij de bundels spontaan vervormen tot chirale rotoren die vervolgens koppelen aan de stroom van de nanoporiën.

Van eenvoud naar rationeel design

"Dit zelforganisatieproces laat echt de schoonheid van eenvoud zien", zegt Shi. Maar het belang van dit werk stopt niet bij deze eenvoudige rotor zelf. De techniek en het fysieke mechanisme erachter bepalen een geheel nieuwe richting voor het bouwen van synthetische nanomotoren:door stroming aangedreven nanoturbines, wat een verrassend onontgonnen gebied is door wetenschappers en ingenieurs. "Je zou verbaasd zijn hoe weinig we wisten en bereikten bij het bouwen van dergelijke stroomgestuurde nanoturbines, vooral gezien de millennia-oude kennis die we hebben over het bouwen van hun tegenhangers op macroschaal, en de cruciale rol die ze vervullen in het leven zelf", zegt Shi.

In een volgende stap (die in preprint is) heeft de groep de kennis die ze hebben opgedaan bij het bouwen van deze zelfgeorganiseerde rotor gebruikt om een ​​volgende belangrijke stap vooruit te zetten:de eerste rationeel ontworpen turbine op nanoschaal. "Zoals hoe wetenschap en technologie altijd werken, zijn we begonnen met een eenvoudig pinwheel, nu kunnen we de prachtige Nederlandse windmolens nabootsen, maar deze keer met een grootte van slechts 25 nm, de grootte van één enkel eiwit in je lichaam", zegt Shi , "en we hebben aangetoond dat ze in staat zijn om lasten te dragen."

"En nu werd de draairichting bepaald door de ontworpen chiraliteit", voegt Dekker toe. "Linkshandige turbines draaiden met de klok mee; rechtshandige draaiden tegen de klok in."

Stoommachine

Om vervolgens motoreiwitten zoals FoF1-ATP-synthase beter te begrijpen en na te bootsen, openen de resultaten nieuwe perspectieven voor de engineering van actieve robotica op nanoschaal. Shi:"Wat we hier hebben aangetoond, is een motor op nanoschaal die echt in staat is om energie om te zetten en werk te doen. Je zou een analogie kunnen trekken met de eerste uitvinding van de stoommachine in de 18e eeuw. Wie had toen kunnen voorspellen hoe deze fundamenteel veranderde onze samenlevingen? Misschien zitten we nu in een vergelijkbare fase met deze moleculaire nanomotoren. Het potentieel is onbeperkt, maar er is nog veel werk te doen." + Verder verkennen

Eerste elektrische nanomotor gemaakt van DNA-materiaal