Această realizare remarcabilă în domeniul nanotehnologiei ar putea deschide calea pentru noi aplicații în domeniul administrării de medicamente, biomimetism și recoltarea de energie. O echipă de cercetători de la TU Delft, University of Illinois și MPI Göttingen a dezvoltat o turbină la scară nanometrică din ADN care poate roti în ambele direcții în funcție de concentrația de sare din soluție. Această realizare remarcabilă în domeniul nanotehnologiei ar putea deschide calea pentru noi aplicații în domeniul administrării de medicamente, biomimetism și recoltarea de energie.
Turbine naturale cu ajutorul origamiei ADN O turbină este un dispozitiv care transformă energia cinetică a unui fluid în lucru mecanic. Acestea sunt omniprezente în lumea noastră modernă, de la fermele eoliene la motoarele cu reacție. Ele sunt, de asemenea, esențiale pentru viață, deoarece unele molecule biologice acționează ca turbine pentru a alimenta funcțiile celulare, cum ar fi sinteza de ATP, care produce energie pentru celule, și flagelii bacterieni care propulsează bacteriile.
Cercetătorii au dorit să mimeze aceste turbine naturale utilizând origamiul ADN, care utilizează catenele de ADN pentru a se plia în forme complexe tridimensionale. Ei au proiectat un rotor cu un diametru de 25 de nanometri și opt lame care pot fi orientate spre dreapta sau spre stânga. Rotorul este atașat la o tijă rigidă și plasat într-un nanopor, o gaură mică într-o membrană care creează un flux puternic de apă atunci când se aplică un câmp electric sau un gradient de sare.
“Am folosit nanoturbina noastră pentru a acționa o tijă rigidă cu până la 20 de rotații pe secundă”, spune Xin Shi, autorul principal al studiului. “Ceea ce este fascinant este că direcția de rotație poate fi inversată prin schimbarea concentrației de sare din soluție. Acest lucru se datorează faptului că ioni de sare interacționează diferit cu lamele de ADN în funcție de orientarea lor, creând o asimetrie care afectează cuplul pe rotor.”
Acest fenomen este unic la scară nanometrică și nu a fost observat anterior. Acesta este explicat de simulările de dinamică moleculară efectuate de grupul lui Aleksei Aksimentiev de la University of Illinois și de modelarea teoretică realizată de Ramin Golestanian de la MPI Göttingen. Cercetătorii cred că această descoperire deschide noi posibilități pentru nanotehnologie, deoarece ar putea permite proiectarea de nanomașini care pot trece între diferite funcții sau moduri prin schimbarea concentrației de sare.
Nanomașini din origamia ADN Una dintre aplicațiile posibile este administrarea de medicamente, unde nanomașinile din origamia ADN ar putea transporta medicamente către țintele specifice din corp și le-ar putea elibera prin modificarea formei sau mișcării lor. O altă posibilitate este biomimetismul, unde nanomașinile din origamia ADN ar putea imita motoarele moleculare naturale și ar putea efectua sarcini de transport, sinteză sau detecție.
Cercetarea a fost supervizată de Cees Dekker, care a colaborat cu Hendrik Dietz de la Technical University of Munich. Aceștia au dezvoltat anterior un nanorotor din origamia ADN care putea roti continuu într-o direcție folosind gradienți electrice sau de sare. Noua nanoturbină reprezintă o îmbunătățire față de designul anterior, permițând mai mult control asupra rotației și integrarea cu alte nanomașini.
“Am demonstrat principiile fundamentale ale propulsării unui rotor la scară nanometrică utilizând apă și sare în nanopori”, spune Shi. “Descoperirea de anul acesta, realizată printr-un design rațional, marchează următoarea fază a călătoriei noastre. Principiile de bază din lucrarea noastră anterioară, combinate cu inovațiile din această lucrare, pregătesc terenul pentru viitorul mașinilor biomimetice transmembranare, având potențialul de a exploata energia din gradienții de sare, o sursă vitală de energie utilizată de motoarele biologice.”
