Nanoturbine aus DNS-Material
Um eine Energieart in eine andere umzuwandeln, sind Rotationsmotoren notwendig. Von Windmühlen bis zu Flugzeugen – diese Motoren werden in vielen Maschinen eingesetzt und ermöglichten die Welt, wie wir sie kennen. Im menschlichen Körper sind Turbinen im Nanobereich für die Energieumwandlung zuständig, zum Beispiel das Protein ATP-Synthase, das in Zellen vorkommt. Im Laufe der Geschichte sind zwar Rotationsmotoren verschiedener Größe im Makromaßstab gebaut worden, doch die ausgeklügelten biologischen Motoren im Nanomaßstab konnten noch nicht nachgebildet werden. In einem neuen Forschungsvorhaben, das über die EU-finanzierten Projekt LoopingDNA und DNA ORIGAMI MOTORS unterstützt wird, wurde diese Möglichkeit nun eröffnet. Ein internationales Team konnte erfolgreich rational konzipierte DNS-Origami-Turbinen im Nanomaßstab mit drei chiralen Rotorblättern in einem Experiment vorführen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift „Nature Nanotechnology“ veröffentlicht. „Unsere Nanoturbine hat einen Rotor mit 25 Nanometern Durchmesser aus DNS-Material, dessen Blätter rechts- oder linksorientiert konfiguriert wurden, um die Rotationsrichtung zu steuern“, erklärt der Hauptautor der Studie Dr. Xin Shi vom Projektkoordinator des LoopingDNA-Projekts, der Technischen Universität Delft in den Niederlanden, in einer Pressemitteilung auf „EurekAlert!“. „Die Struktur ist in einem starken Wasserstrom angedockt und wird durch ein elektrisches Feld oder eine Differenz der Salzkonzentration über eine Nanopore, also eine winzige Öffnung, in einer dünnen Membran gesteuert. Mit der Turbine konnten wir einen starren Stab mit bis zu 20 Umdrehungen pro Sekunde antreiben.“
Das Salz ist wichtig
Was also beeinflusst die Rotation der DNS-Origami-Nanoturbine? Das Geheimnis liegt in der Natriumkonzentration in einer Lösung. Je nach Gehalt an Na+-Ionen dreht sich die Turbine im oder gegen den Uhrzeigersinn. „Diese einzigartige Eigenschaft tritt nur auf Nanomaßstab auf und ist auf das komplexe Zusammenspiel zwischen Ionen, Wasser und DNS zurückzuführen“, heißt es in der Pressemitteilung. Die künstlichen Nanoturbinen werden autonom unter physiologischen Bedingungen betrieben und wandeln Energie aus natürlich reichlich vorhandenen elektrochemischen Potenzialen in mechanische Arbeit um. Das eröffnet Chancen für ganz neue Anwendungen. Zum Beispiel könnten eines Tages mittels DNS-Origami Nanomaschinen gebaut werden, die Wirkstoffe in ganz bestimmte Zellarten im menschlichen Körper transportieren. Aufbauend auf der früheren Forschung zu strömungsgetriebenen Nanomotoren, die auch von LoopingDNA (Bottom-up biophysics approach to resolve the looping structure of chromosomes) und DNA ORIGAMI MOTORS (Constructing and powering nanoscale DNA origami motors) unterstützt wurden, gestalteten die Forschenden eine Turbine, über deren Design und Betrieb sie volle Kontrolle haben. Dr. Shi betont, wie bedeutend diese Errungenschaft ist: „Wir haben die grundlegenden Prinzipien für den Antrieb eines Rotors im Nanomaßstab mit Wasser und Salz in Nanoporen aufgeklärt. Der diesjährige Durchbruch, gestützt auf rationalem Design, stößt die nächste Phase der Reise an. Die grundlegenden Prinzipien aus unserer vorherigen Arbeit stellen gemeinsam mit den Innovationen aus dieser Forschung die Weichen für die Zukunft biomimetischer Transmembranmaschinen. So könnte Energie aus Salzgradienten gewonnen werden, einer zentralen Energiequelle für biologische Motoren.“ Weitere Informationen: LoopingDNA project DNA-ORIGAMI-MOTORS-Projekt
Schlüsselbegriffe
LoopingDNA, DNA ORIGAMI MOTORS, DNS-Origami, Energie, Motor, Turbine, Nanomaßstab, Nanoturbine
