(나노 워크 뉴스) 저널에 발표된 연구에 따르면 과학자들은 세계 최초로 작동하는 나노 규모 전기 모터를 만들었습니다. 자연 나노 기술 (“나노기공을 가로지르는 막횡단 전위로 구동되는 DNA 터빈”). 과학팀은 고체 질화규소 막에 있는 나노미터 크기의 구멍인 나노기공 내부의 유체역학적 흐름에 의해 구동되는 DNA로 설계된 터빈을 설계했습니다. 이 작은 모터는 유용한 화학 물질을 위한 분자 공장을 건설하거나 암과 같은 질병을 탐지하기 위해 혈류 내 분자에 대한 의료 프로브를 구축하는 등 미래 응용 분야에 대한 연구를 촉발하는 데 도움이 될 수 있습니다. "일반적인 거시적 기계는 나노 규모에서는 비효율적입니다."라고 일리노이 대학 어바나-샴페인 캠퍼스의 물리학 교수이자 공동 저자인 알렉세이 악시멘티예프(Aleksei Aksimentiev)가 말했습니다. "우리는 아주 작은 규모에서 전기모터를 실현하기 위해 새로운 원리와 물리적 메커니즘을 개발해야 합니다." 작은 모터에 대한 실험 작업은 델프트 기술 대학의 Cees Dekker와 뮌헨 기술 대학의 Hendrik Dietz가 수행했습니다.
나노기공으로 구동되는 DNA 종이접기 터빈 설계. a, 나노기공에 도킹된 오른손잡이 DNA 터빈의 개략도. b, 설계된 트위스트를 강조하는 DNA 터빈의 두 단면. c, 단일 입자 극저온-EM을 통해 결정된 오른 손잡이 DNA 터빈의 3D 전자 밀도 맵. d, 분야를 넘나 드는. 전자, 에프, c, d와 동일하지만 왼손잡이 DNA 터빈의 경우입니다. g, 부하가 있는 오른손잡이 DNA 터빈의 개략도. h, SNUPI 시뮬레이션 구조. i, 부하가 있는 일반적인 오른손잡이 DNA 터빈의 부정적으로 염색된 투과 전자 현미경 사진. (© DOI: 10.1038/s41565-023-01527-8) Dietz는 DNA 종이접기 분야의 세계적인 전문가입니다. 그의 연구실에서는 DNA 분자를 조작하여 작은 모터의 터빈을 만들었습니다. 이 터빈은 축으로 설계된 30개의 이중 가닥 DNA 나선과 약 72 염기쌍 길이의 XNUMX개의 블레이드로 구성되어 있습니다. Decker의 연구실에서는 전기장을 가함으로써 터빈이 실제로 회전할 수 있음을 입증했습니다. Aksimentiev 연구실에서는 모터 작동 방식에 대한 물리적 현상을 특성화하기 위해 XNUMX만 개의 원자 시스템에서 전체 원자 분자 역학 시뮬레이션을 수행했습니다. 시스템은 실험에 대해 의미 있는 결과를 얻을 수 있는 가장 작은 표현이었습니다. 그러나 Aksimentiev는 "이것은 DNA 종이접기 관점에서 시뮬레이션된 것 중 가장 큰 것 중 하나였습니다"라고 말했습니다.
미션 임파서블에서 미션 가능으로
TACC(Texas Advanced Computing Center)는 미국 최고의 학술 슈퍼컴퓨터인 NSF(National Science Foundation)가 자금을 지원하는 Frontera에서 중규모 생물학적 시스템에 대한 연구를 지원하기 위해 Aksimentiev에게 리더십 자원 할당을 수여했습니다. “Frontera는 이 DNA 나노터빈 작업에 중요한 역할을 했습니다. "라고 Aksimentiev가 말했습니다. “우리는 더 작은 컴퓨팅 시스템에서 2,000년 이상을 기다리는 대신 100~XNUMX주 만에 마이크로초 시뮬레이션 궤적을 얻었습니다. 대규모 시뮬레이션은 시스템의 약 XNUMX/XNUMX(XNUMX개 이상의 노드)을 사용하여 Frontera에서 수행되었습니다.”라고 Aksimentiev는 말했습니다. “하지만 하드웨어뿐만 아니라 TACC 직원과의 상호작용도 문제입니다. 기회가 생기면 자원을 최대한 활용하는 것이 매우 중요합니다.” Aksimentiev는 또한 NSF가 자금을 지원하는 Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support(ACCESS)의 San Diego Supercomputer Center 및 Purdue University의 Anvil에서 이 작업을 위해 슈퍼컴퓨터 할당을 받았습니다. “우리는 시뮬레이션할 나노모터 시스템이 최대 XNUMX개에 달했습니다. 우리는 다양한 조건에서 빠른 방식으로 이를 실행해야 했는데 ACCESS 슈퍼컴퓨터가 완벽하게 지원했습니다.”라고 Aksimentiev는 말했습니다. "NSF의 지원에 깊은 감사를 드립니다. 이러한 시스템이 없었다면 우리가 수행하는 과학을 수행할 수 없었을 것입니다."
DNA 터빈 회전의 모든 원자 분자 역학 시뮬레이션. a, 분자 표면 표현(흰색 샤프트, 여러 색상의 블레이드), 반투명 표면으로 표시된 용매 및 이온을 사용하여 묘사된 DNA 종이접기 터빈의 4,322,088개 원자 모델. b, 전기장에 의해 구동되는 터빈의 회전. (© DOI: 10.1038/s41565-023-01527-8)
빌딩 블록으로서의 DNA
작동 중인 DNA 나노터빈의 성공은 Frontera 및 ACCESS 슈퍼컴퓨터를 사용한 이전 연구를 기반으로 합니다. 연구에 따르면 단일 DNA 나선은 사람이 만들 수 있는 가장 작은 전기 모터이며 분당 최대 1960억 회전까지 회전할 수 있습니다. Aksimentiev에 따르면 DNA는 나노 규모의 건축 자재로 등장했습니다. “DNA 염기쌍 방식은 매우 강력한 프로그래밍 도구입니다. 이중나선의 가로대를 구성하는 문자의 순서를 프로그래밍하기만 하면 Cadnano 소프트웨어를 사용하여 DNA에서 기하학적, XNUMX차원 개체를 프로그래밍할 수 있습니다.”라고 그는 설명했습니다. DNA를 빌딩 블록으로 사용하는 또 다른 이유는 전기 모터를 만드는 데 필수적인 특성인 음전하를 운반하기 때문입니다. “우리는 가장 놀라운 생물학적 기계 중 하나인 전기장에 의해 구동되는 ATP 합성효소를 재현하고 싶었습니다. 우리는 모터를 DNA로 만들기로 결정했습니다.”라고 Aksimentiev는 말했습니다. “이 새로운 연구는 회전 속도와 방향을 제어할 수 있는 최초의 나노 규모 모터입니다.”라고 그는 덧붙였습니다. 이는 고체 나노포어 멤브레인의 전기장과 로터를 둘러싸는 유체의 염분 농도를 조정함으로써 이루어집니다. “미래에 우리는 새로운 나노 규모의 전기 모터를 사용하여 분자를 합성할 수도 있고, 사물이 이동하는 더 큰 분자 공장의 요소로 사용할 수도 있습니다. 또는 합성 시스템이 혈류로 들어가서 한 번에 하나씩 분자나 세포를 조사할 수 있는 소프트 추진을 위한 수단으로 상상할 수도 있습니다.”라고 Aksimentiev는 말했습니다. 이것이 XNUMX년대 공상과학 영화의 한 장면처럼 들린다고 생각하신다면, 맞습니다. 영화 판타스틱 항해(Fantastic Voyage)에서는 핵잠수함을 탄 미국인 팀이 혈전을 고치기 위해 축소되어 과학자의 몸에 주입되고 소형화가 끝나기 전에 신속하게 작업해야 합니다. 믿기지 않는 이야기처럼 들리겠지만 Aksimentiev는 현재 우리가 개발하고 있는 기계의 개념과 요소를 통해 이와 같은 일이 일어날 수 있다고 말합니다. Aksimentiev는 "우리는 슈퍼컴퓨터 덕분에 이것을 달성할 수 있었습니다."라고 말했습니다. “우리가 구축하는 시스템의 복잡성이 증가함에 따라 슈퍼컴퓨터는 점점 더 필수 불가결해지고 있습니다. 그것은 궁극적인 해상도에서 개별 원자의 움직임과 그것이 더 큰 시스템과 어떻게 결합되는지 볼 수 있는 전산 현미경입니다.”- SEO 기반 콘텐츠 및 PR 배포. 오늘 증폭하십시오.
- PlatoData.Network 수직 생성 Ai. 자신에게 권한을 부여하십시오. 여기에서 액세스하십시오.
- PlatoAiStream. 웹3 인텔리전스. 지식 증폭. 여기에서 액세스하십시오.
- 플라톤ESG. 탄소, 클린테크, 에너지, 환경, 태양광, 폐기물 관리. 여기에서 액세스하십시오.
- PlatoHealth. 생명 공학 및 임상 시험 인텔리전스. 여기에서 액세스하십시오.
- 출처: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64463.php
