DNA-origami-nanoturbine creëert een nieuwe horizon voor nanomotoren

Een samenwerkend team van onderzoekers onder leiding van prof. Cees Dekker van de Technische Universiteit Delft heeft, in samenwerking met internationale collega’s, een baanbrekende doorbraak geïntroduceerd in de wereld van nanomotoren: de DNA-origami nanoturbine. Dit apparaat op nanoschaal zou een paradigmaverschuiving kunnen vertegenwoordigen, waarbij de kracht van ionengradiënten of elektrisch potentieel over een nanoporie in vaste toestand wordt benut om de turbine in mechanische rotaties te drijven.

De kern van deze ontdekking is het ontwerp, de constructie en de aangedreven beweging van een ‘DNA-origami’-turbine, die drie chirale bladen heeft, allemaal binnen een minuscuul frame van 25 nanometer, werkend in een nanoporie in vaste toestand. Door het ingenieus ontwerpen van twee chirale turbines hebben onderzoekers nu de mogelijkheid om de draairichting te dicteren, met de klok mee of tegen de klok in. Hun bevindingen zijn geweest gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie.

Nanoturbines: het hart van vooruitgang

Door stroming aangedreven turbines vormen de kern van veel revolutionaire machines die onze samenlevingen hebben gevormd, van windmolens tot vliegtuigen. Zelfs het leven zelf is voor fundamentele processen in belangrijke mate afhankelijk van turbines, zoals het FoF1-ATP-synthase dat brandstoffen produceert voor biologische cellen en de bacteriële flagellamotor die bacteriën aandrijft.

“Onze nanoturbine heeft een rotor met een diameter van 25 nanometer, gemaakt van DNA-materiaal met bladen die in rechts- of linkshandige zin zijn geconfigureerd om de rotatierichting te regelen. Om te kunnen functioneren, wordt deze structuur in een sterke waterstroom geplaatst, gecontroleerd door een verschil in elektrisch veld of zoutconcentratie, vanuit een nanoporie, een kleine opening, in een dun membraan. We gebruikten onze turbine om een ​​stijve staaf tot 10 omwentelingen per seconde aan te drijven”, zegt Xin Shi, hoofdauteur van het artikel.

Een fascinerende openbaring

Een van de meest intrigerende ontdekkingen van dit onderzoek is de unieke aard van de rotatie van de DNA-origami-nanoturbine. Zijn gedrag wordt beïnvloed door de ionenconcentratie, waardoor dezelfde turbine met de klok mee of tegen de klok in kan draaien, afhankelijk van de Na-concentratie.⁺ ionen in de oplossing.

Deze unieke eigenschap, exclusief voor het rijk op nanoschaal, is het resultaat van de ingewikkelde wisselwerking tussen ionen, water en DNA.

Deze bevindingen, rigoureus ondersteund door uitgebreide moleculaire dynamica-simulaties door de groep van Aleksei Aksimentiev van de Universiteit van Illinois en theoretische modellering door Ramin Golestanian van MPI Göttingen, houden de belofte in dat ze de horizon van de nanotechnologie zullen verbreden en bieden talloze toepassingen. In de toekomst zouden we bijvoorbeeld DNA-origami kunnen gebruiken om nanomachines te maken die medicijnen in het menselijk lichaam kunnen afleveren, aan specifieke soorten cellen.

DNA-origami

Cees Dekker, die toezicht hield op het onderzoek, werpt licht op hun methodologie door te zeggen: “Samen met onze medewerkers in het laboratorium van Hendrik Dietz van de Technische Universiteit van München hebben we inzichten uit ons eerdere werk aan DNA-rotatiemotoren gebruikt om nu een turbine met volledige controle te creëren over het ontwerp en de werking.”

De “DNA-origami”-techniek maakt gebruik van de specifieke interacties tussen complementaire DNA-basenparen om dynamische 3D-nano-objecten te bouwen. Dit ontwerp maakt het mogelijk de draairichting van de turbine in onze nanoporiën te regelen via de handigheid van de bladen en maakt een eenvoudige integratie van de turbine met andere nanomachines mogelijk.

Een nieuwe stap richting actieve transmembraan nanomachines

Deze onderzoeksprestatie volgt op de introductie vorig jaar van de DNA-actieve nanorotor, een zelfconfigurerend apparaat dat in staat is energie uit elektrische of zoutgradiënten om te zetten in praktisch mechanisch werk.

Terugkijkend op het werk zei Xin Shi: “We hebben de fundamentele principes onthuld achter het voortbewegen van een rotor op nanoschaal met behulp van water en zout in nanoporiën. De doorbraak van dit jaar, gedreven door rationeel ontwerp, markeert de volgende fase van onze reis.”

“De fundamentele principes uit ons vorige artikel, gecombineerd met de innovaties in dit artikel, vormen de weg voor de toekomst van biomimetische transmembraanmachines, met het potentieel om energie te benutten uit zoutgradiënten, een essentiële energiebron die wordt gebruikt door biologische motoren.”