Przełomowa nanoturbina wykonana z materiału DNA
Silniki obrotowe odgrywają ważną rolę w przekształcaniu jednego rodzaju energii na inny. Od wiatraków po statki powietrzne – ich szerokie zastosowanie w maszynach pomogło ukształtować współczesny świat. Na podobnej zasadzie przekształcana jest energia w ciele człowieka, czym zajmują się turbiny w nanoskali, takie jak białko zwane syntazą ATP, znajdujące się w ludzkich komórkach. Wprawdzie dzieje człowieka pokazują, że jeśli chodzi o skalę makro, mamy zdolność do budowania silników obrotowych o najróżniejszych rozmiarach, jednak stworzenie silników naśladujących działanie mechanizmów biologicznych w nanoskali stanowi jak na razie olbrzymie wyzwanie. Nowe badania, wspierane w ramach finansowanych z unijnych środków projektów LoopingDNA i DNA ORIGAMI MOTORS, wreszcie wskazały uczonym drogę do przełamania tej bariery. Zostały one przeprowadzone przez międzynarodowy zespół, któremu udało się w sposób eksperymentalny zademonstrować działanie innowacyjnego rozwiązania – racjonalnie zaprojektowanych i opartych na technice origami DNA nanoturbin z trzema chiralnymi łopatkami. Wyniki tych badań zostały opublikowane na łamach czasopisma „Nature Nanotechnology”. „Nasza nanoturbina posiada wirnik o średnicy 25 nanometrów wykonany z materiału DNA, z łopatkami skonfigurowanymi w kierunku prawo- lub lewoskrętnym, co pozwala kontrolować kierunek obrotu”, wyjaśnia główny autor badania dr Xin Shi z Uniwersytetu Technicznego w Delft (Niderlandy), uczelni koordynującej projekt, w komunikacie prasowym zamieszczonym na stronie serwisu „EurekAlert!”. „Aby mogła działać, struktura ta jest dokowana w silnym przepływie wody, regulowanym za pomocą pola elektrycznego lub różnicy stężeń soli, z nanoporu – maleńkiego otworu w cienkiej błonie. Nasza turbina została następnie wykorzystana do napędzania sztywnego pręta z maksymalną prędkością wynoszącą 20 obrotów na sekundę”.
Wszystko zależy od soli
Co zatem wpływa na obroty tej innowacyjnej nanoturbiny DNA? Otóż cały sekret tkwi w stężeniu sodu w roztworze. Turbina będzie się obracać zgodnie z ruchem wskazówek zegara lub w kierunku przeciwnym – w zależności od stężenia jonów sodu Na+ w roztworze. „Ta unikalna cecha, osiągana wyłącznie w nanoskali, wynika ze skomplikowanej interakcji między jonami, wodą i DNA”, jak dowiadujemy się z komunikatu prasowego. Sztucznie wytworzone nanoturbiny działają w sposób autonomiczny w warunkach fizjologicznych, gdzie przekształcają energię z naturalnie występujących potencjałów elektrochemicznych w pracę mechaniczną. Osiągnięcie to otwiera drogę do wielu nowych zastosowań. Dzięki tej zdolności naukowcy będą mogli pewnego dnia wykorzystać technikę origami DNA na przykład do budowy nanomaszyn dostarczających leki do określonych rodzajów komórek w ludzkim organizmie. Opierając się na swoich wcześniejszych badaniach nad nanosilnikami napędzanymi za pomocą przepływu, również wspieranych w ramach projektów LoopingDNA (Bottom up biophysics approach to resolve the looping structure of chromosomes) i DNA ORIGAMI MOTORS (Constructing and powering nanoscale DNA origami motors), naukowcy stworzyli turbinę, której strukturę i działanie mogą w całości kontrolować. Dr Shi wskazuje na doniosłość tego osiągnięcia: „Odkryliśmy fundamentalne zasady umożliwiające obracanie się nanoskalowego wirnika za pomocą wody i soli w nanoporach. Dokonany w tym roku przełom, który zawdzięczamy między innymi strategii racjonalnego projektowania, wyznacza kolejny etap naszej podróży. Fundamentalne zasady opisane w naszym poprzednim artykule w połączeniu z obecnymi innowacjami przygotowują grunt pod przyszłe projekty biomimetycznych maszyn transbłonowych, oferując możliwość wykorzystania energii z gradientów soli, istotnego źródła energii wykorzystywanego przez silniki biologiczne”. Więcej informacji: projekt LoopingDNA projekt DNA ORIGAMI MOTORS
Słowa kluczowe
LoopingDNA, DNA ORIGAMI MOTORS, origami DNA, energia, silnik, turbina, nanoskala, nanoturbina
