Warmte-oplaadbare ontwerp voedt moleculaire machines op nanoschaal

Hoewel het misschien op science fiction lijkt, werken wetenschappers aan het bouwen van moleculaire machines op nanoschaal die kunnen worden ontworpen voor talloze toepassingen, zoals “slimme” medicijnen en materialen. Maar net als alle machines hebben deze kleine apparaten een bron van kracht nodig, de manier waarop elektronische apparaten elektriciteit of levende cellen gebruiken, gebruiken ATP (adenosine trifosfaat, de universele biologische energiebron).

Onderzoekers in het laboratorium van Lulu Qian, Caltech Professor in Bio -engineering, ontwikkelen nanoschaalmachines gemaakt van synthetisch DNA en profiteren van DNA’s unieke chemische bindingseigenschappen om circuits te bouwen die signalen kunnen verwerken die veel als miniatuurcomputers kunnen verwerken. Deze moleculaire machines werken op miljardste schalen en kunnen worden ontworpen om DNA-robots te vormen die cargo’s sorteren of om te functioneren als een neuraal netwerk dat kan leren handgeschreven numerieke cijfers te herkennen.

Eén grote uitdaging is echter gebleven: hoe ze te ontwerpen en van stroom te voorzien voor meerdere toepassingen.

Nu hebben Qian en voormalig postdoctoraal geleerde Tianqi Song (nu een universitair docent aan de Universiteit van North Carolina Greensboro) een methode ontwikkeld om DNA -circuits van stroom te voorzien met behulp van warmte. Hun systeem wordt opnieuw ingesteld bij opwarming, waardoor een herbruikbaar, oplaadbaar systeem ontstaat dat kan worden ontworpen voor diverse berekeningen. Een paper die het onderzoek beschrijft verschijnen in het dagboek Natuur.

“In tegenstelling tot gespecialiseerde brandstoffen is warmte overal en gemakkelijk toegankelijk”, zegt Qian. “Met het juiste ontwerp kan het steeds opnieuw moleculaire machines opladen, waardoor ze activiteit kunnen behouden en blijven interactie met hun omgeving. En in tegenstelling tot chemische batterijen, laat deze oplaad vrijwel geen afval achter – alleen de overblijfselen van de inputsignalen zelf, die in een natuurlijke omgeving gewoon in de loop van de tijd zou worden gerecycled.”

De hitte-opladende methode bouwt voort op een fenomeen dat een kinetische val wordt genoemd. Springs zijn een klassiek voorbeeld van een kinetische val – die een lente -slaat energie op de lente -slaat en die energie wordt vrijgegeven wanneer de veer opengaat. Op een vergelijkbare manier zijn de DNA -moleculen die het systeem vormen, ontworpen om zich op een zodanige manier te verbinden dat het opwarmen van hen opslaat energie binnen de moleculaire bindingen zelf.

“Stel je twee DNA -strengen voor die bedoeld zijn om aan elkaar te breken, zoals puzzelstukjes, maar een van hen wordt tegengehouden door een derde streng die de reactie vertraagt”, zegt Song. “Het is als een veer naar beneden en op zijn plaats gehouden – de energie is daar, wachtend. De toevoeging van een katalysatorstreng brengt het blok vrij, waardoor de veer plotseling loslaat en de DNA -strengen snel paren, waarbij de opgeslagen energie ontketend om het systeem naar voren te drijven.

“Wanneer u een testbuis van DNA opwarmt en deze vervolgens afkoelt, vestigen de moleculen zich niet altijd in hun meest stabiele opstelling. In plaats daarvan-en vooral wanneer ze sterke gevouwen structuren hebben-kan het verwarmen en koelen ze terug in de veerbelaste toestanden resetten, klaar om energie opnieuw vrij te geven.”

Voortbouwend op de twee ideeën – Kinetische vallen als energieopslag en warmte als een resetknop – onderzocht het team of warmte kon worden gebruikt als een universele stroombron voor complexe moleculaire circuits. In hun ontwerp voeren de circuits hun taken uit bij kamertemperatuur, waardoor de energie wordt opgeslagen in kinetische vallen, zoals moleculaire “veren”. Wanneer hun taken zijn voltooid, kan het systeem worden opgeladen met een pulspuls, waardoor het opnieuw wordt ingesteld zodat het systeem klaar is voor de volgende invoer.

Het duo toonde aan dat deze oplaadbare methode kan worden toegepast op kracht zeer ander systeemgedrag; In dit geval, als een neuraal netwerk en als een logisch circuit. Deze twee systemen zijn archetypen van klassiek computergebruik.

Belangrijk is dat het idee van herbruikbaarheid door kinetische vallen niet beperkt is tot warmte.

“In principe kan elke energiebron – licht-, zout- of zuurgradiënten zoals die over celmembranen – dezelfde rol vervullen zolang het zwakke bindingen tussen moleculen kan doorbreken, waardoor ze op natuurlijke wijze terug in hun vallen kunnen vallen,” zegt Qian. “Met dit soort duurzame berekening kunnen we beginnen met het ontwerpen van moleculaire systemen die niet alleen een taak uitvoeren, maar langdurig gedrag kunnen vertonen meer als die van levende systemen-zoals leren en evolutie.”

“Op de lange termijn kunnen dergelijke continu lopende moleculaire machines-vooral die met zelfgeleide leren en evoluerende vaardigheden-leven in alledaagse materialen,” voegt ze eraan toe.

“Stel je voor dat een coating eenmaal is toegepast op een vliegtuig, constant stress detecteren en scheuren repareren om passagiers jaar na jaar veilig te houden. Of een paar contactlenzen die je eenmaal koopt, die zichzelf herhalt om je visie te corrigeren, ongeacht hoe het verandert in de loop van de tijd. Of zelfs een slimme medicijn die je eenmaal neemt, moet het werk om te gaan met een leven. in de komende decennia. “