Een onderzoeksteam onder leiding van de Technische Universiteit van München (TUM) is er voor het eerst in geslaagd een moleculaire elektromotor te produceren met behulp van de DNA-origami-methode. De kleine machine gemaakt van genetisch materiaal assembleert zichzelf en zet elektrische energie om in kinetische energie. De nieuwe nanomotoren kunnen worden in- en uitgeschakeld en de onderzoekers kunnen de rotatiesnelheid en draairichting regelen.

Of het nu in onze auto's, boormachines of automatische koffiemolens is - motoren helpen ons bij het uitvoeren van werkzaamheden in ons dagelijks leven om een ​​breed scala aan taken uit te voeren. Op veel kleinere schaal voeren natuurlijke moleculaire motoren vitale taken uit in ons lichaam. Een motoreiwit dat bekend staat als ATP-synthase produceert bijvoorbeeld het molecuul adenosinetrifosfaat (ATP), dat ons lichaam gebruikt voor kortetermijnopslag en -overdracht van energie.

Hoewel natuurlijke moleculaire motoren essentieel zijn, was het vrij moeilijk om motoren op deze schaal opnieuw te creëren met mechanische eigenschappen die ruwweg vergelijkbaar zijn met die van natuurlijke moleculaire motoren zoals ATP-synthase. Een onderzoeksteam heeft nu een werkende moleculaire roterende motor op nanoschaal geconstrueerd met behulp van de DNA-origami-methode en hun resultaten gepubliceerd in Nature . Het team werd geleid door Hendrik Dietz, hoogleraar biomoleculaire nanotechnologie aan de TUM, Friedrich Simmel, hoogleraar fysica van synthetische biologische systemen aan de TUM, en Ramin Golestanian, directeur van het Max Planck Institute for Dynamics and Self-Organization.

Een zelfassemblerende nanomotor

De nieuwe moleculaire motor bestaat uit DNA-genetisch materiaal. De onderzoekers gebruikten de DNA-origamimethode om de motor samen te stellen uit DNA-moleculen. Deze methode is in 2006 uitgevonden door Paul Rothemund en later door het onderzoeksteam van TUM verder ontwikkeld. Verschillende lange enkelvoudige DNA-strengen dienen als basis waaraan aanvullende DNA-strengen zich hechten als tegenhangers. De DNA-sequenties worden zo geselecteerd dat de aangehechte strengen en plooien de gewenste structuren creëren.

"We zijn al jaren bezig met deze fabricagemethode en kunnen nu zeer precieze en complexe objecten ontwikkelen, zoals moleculaire schakelaars of holle lichamen die virussen kunnen vangen. Als je de DNA-strengen met de juiste sequenties in oplossing brengt, worden de objecten zelf in elkaar zetten", zegt Dietz.

De nieuwe nanomotor van DNA-materiaal bestaat uit drie componenten:basis, platform en rotorarm. De basis is ongeveer 40 nanometer hoog en is via chemische bindingen op een glasplaat in oplossing op een glasplaat bevestigd. Op de basis is een rotorarm van maximaal 500 nanometer lang gemonteerd, zodat deze kan draaien. Een ander onderdeel is cruciaal om de motor te laten werken zoals bedoeld:een platform dat tussen de basis en de rotorarm ligt. Dit platform bevat obstakels die de beweging van de rotorarm beïnvloeden. Om de obstakels te passeren en te draaien, moet de rotorarm een ​​beetje omhoog buigen, vergelijkbaar met een ratel.

Gerichte beweging door wisselspanning

Zonder energietoevoer bewegen de rotorarmen van de motoren willekeurig in de ene of de andere richting, aangedreven door willekeurige botsingen met moleculen uit het omringende oplosmiddel. Zodra er echter via twee elektroden wisselspanning wordt aangelegd, draaien de rotorarmen gericht en continu in één richting.

"De nieuwe motor heeft ongekende mechanische mogelijkheden:hij kan koppels bereiken in het bereik van 10 piconewton maal nanometer. En hij kan meer energie per seconde genereren dan wat er vrijkomt wanneer twee ATP-moleculen worden gesplitst", legt Ramin Golestanian uit, die de theoretische analyse leidde. van het mechanisme van de motor.

De gerichte beweging van de motoren is het resultaat van een superpositie van de fluctuerende elektrische krachten met de krachten die de rotorarm ondervindt als gevolg van de ratelobstakels. Het onderliggende mechanisme realiseert een zogenaamde "knipperende Brownse ratel". De onderzoekers kunnen de snelheid en richting van de rotatie regelen via de richting van het elektrische veld en ook via de frequentie en amplitude van de wisselspanning.

"De nieuwe motor kan in de toekomst ook technische toepassingen hebben. Als we de motor verder ontwikkelen, kunnen we hem in de toekomst mogelijk gebruiken om door de gebruiker gedefinieerde chemische reacties aan te sturen, geïnspireerd door hoe ATP-synthase ATP aangedreven maakt door rotatie. Dan bijvoorbeeld , oppervlakken kunnen dicht worden bedekt met dergelijke motoren. Dan zou je startmaterialen toevoegen, een beetje wisselspanning aanbrengen en de motoren produceren de gewenste chemische verbinding ", zegt Dietz. + Verder verkennen

Een biologische motor die chirale brandstof verbruikt, zorgt voor rotatie in één richting rond een enkele covalente binding