Experimenten met één molecuul onthullen het krachtvermogen van kunstmatige moleculaire motoren

Afbeelding toont de opstelling van het magnetische pincet voor de krachtdetectie van een enkele moleculaire motor (links) en twee geregistreerde trajecten die de snelle stapsgewijze beweging van de motor laten zien (rechts, tegen een tegenkracht van 1,5 pN). Het bovenste en onderste paneel aan de rechterkant toont de geregistreerde individuele stapgebeurtenissen van de moleculaire motor met fluctuaties in de bewegingssnelheid die typerend zijn voor experimenten met één molecuul. Een enkele tweevoetige nanomotor met een lang spoor is samengesteld uit vele korte enkelstrengs DNA-moleculen onder een paramagnetische kraal. De motor beweegt autonoom door een kort enkelstrengs DNA als brandstof op te nemen met behulp van een eiwit-enzym. De beweging van de moleculaire motor is tegen een achterwaartse kracht die op de hiel wordt uitgeoefend, waardoor de belastingsbestendige beweging en krachtoutput van de motor kunnen worden gemeten. Credit: nanoschaal (2021). DOI: 10.1039/D1NR02296B

Natuurkundigen van de National University of Singapore hebben aangetoond dat een enkele door de mens gemaakte moleculaire motor een kracht kan vertonen die vergelijkbaar is met die van natuurlijke kracht die menselijke spieren aandrijven. Hun resultaten zijn gepubliceerd in nanoschaal.

Moleculaire motoren zijn een klasse van machines met afmetingen op nanoschaal die essentiële middelen zijn voor beweging in levende organismen. Ze gebruiken verschillende energiebronnen in het lichaam om mechanische beweging te genereren. Een belangrijk kenmerk is de kracht die wordt gegenereerd door een enkele motor tijdens zijn zelfrijdende beweging. Dit vermogen om kracht te genereren stelt de moleculaire motor in staat om mechanisch werk te leveren en is een maatstaf voor de energieconversie-efficiëntie, die het gebruik in potentiële toepassingen beïnvloedt.

De meting van de kracht die wordt gegenereerd door natuurlijk voorkomende moleculaire motoren, die meestal van eiwitten zijn gemaakt, werd twee decennia geleden bereikt. Vergelijkbare metingen voor kunstmatige kunstmatige moleculaire motoren gemaakt van DNA (deoxyribonucleïnezuur) blijven echter een uitdaging. Een onderzoekssamenwerking tussen het Molecular Motors Laboratory door universitair hoofddocent Zhisong Wang en het Single-Molecule Biophysics Laboratory van professor Jie Yan, beide van het Department of Physics, NUS is erin geslaagd de kracht te detecteren die wordt gegenereerd door een bewegende DNA-moleculaire motor.

Het is moeilijk om de krachten te detecteren die worden gecreëerd door een enkele moleculaire motor in beweging voor kunstmatige motoren, omdat ze klein zijn en meestal op zachte sporen werken (bijvoorbeeld dubbelstrengs DNA). Zachte rupsbanden zijn niet gefixeerd en hebben de neiging om in een cirkelvorm te rollen. Dit beïnvloedt de beweging van de kunstmatige motor. Het onderzoeksteam overwon deze moeilijkheid door parallelle experimenten met één molecuul te ontwerpen en uit te voeren die de sporen op nanoschaal op hun plaats hielden en tegelijkertijd de minuscule kracht detecteerden die door de bewegende moleculaire motor werd gecreëerd. Met behulp van de magnetische pincettechniek assembleerden ze eerst een kunstmatige moleculaire motor en zijn spoor onder een paramagnetische kraal (hulpmiddel voor het isoleren van biomoleculen). Vervolgens schakelden ze de paramagnetische kraal om naar een krachtdetectiemodus (zie afbeelding).

Het onderzoeksteam heeft hun methode met succes toegepast op een autonome DNA-moleculaire motor (eerder ontwikkeld door het laboratorium van prof. Wang). Deze tweevoetige moleculaire motor is in staat om zelfstandig achtereenvolgens te “lopen” met een paslengte van ongeveer 16 nm tussen elke stap, wat resulteert in een maximale krachtoutput van ongeveer 2 tot 3 pN. Deze gemeten krachtoutput ligt op een niveau dat in de buurt komt van de natuurlijk voorkomende moleculaire motoren die menselijke spieren aandrijven, wat wijst op een redelijk efficiënte omzetting van chemische energie in mechanische beweging.

Prof. Wang zei: “Deze studie baant de weg voor de ontwikkeling van toepassingen die verband houden met translationele kunstmatige moleculaire motoren die het genereren van krachten vereisen. Voorbeelden zijn onder meer moleculaire robots en het bionabootsen van kunstmatige spieren. Afzonderlijk is de methode met één molecuul die in dit werk is vastgesteld, toepasbaar op krachtmeting van vele andere kunstmatige moleculaire motoren met zachte sporen.”