(Nanowerk NieuwsWetenschappers hebben 's werelds eerste werkende elektromotor op nanoschaal gemaakt, blijkt uit onderzoek dat in het tijdschrift is gepubliceerd Natuur Nanotechnologie (“Een DNA-turbine aangedreven door een transmembraanpotentiaal in een nanoporie”). Het wetenschappelijke team ontwierp een turbine die is ontwikkeld op basis van DNA en die wordt aangedreven door hydrodynamische stroming in een nanoporie, een gat ter grootte van een nanometer in een membraan van siliciumnitride in vaste toestand.
De kleine motor zou kunnen bijdragen aan onderzoek naar toekomstige toepassingen, zoals het bouwen van moleculaire fabrieken voor nuttige chemicaliën of medische sondes van moleculen in de bloedbaan om ziekten zoals kanker op te sporen.
“Gemeenschappelijke macroscopische machines worden inefficiënt op nanoschaal”, zegt co-auteur van de studie, professor Aleksei Aksimentiev, hoogleraar natuurkunde aan de Universiteit van Illinois in Urbana-Champagne. “We moeten nieuwe principes en fysieke mechanismen ontwikkelen om elektromotoren op zeer kleine schaal te realiseren.”
Het experimentele werk aan de kleine motor werd uitgevoerd door Cees Dekker van de Technische Universiteit Delft en Hendrik Dietz van de Technische Universiteit van München.
Ontwerp van een door nanoporiën aangedreven DNA-origami-turbine. a, Schematische voorstelling van een rechtshandige DNA-turbine aangesloten in een nanoporie. bTwee dwarsdoorsneden van de DNA-turbine benadrukken de ontworpen twist. c, 3D-elektronendichtheidskaart van de rechtshandige DNA-turbine bepaald via cryo-EM met één deeltje. d, Dwarsdoorsneden. e, f, Hetzelfde als c,d maar dan voor de linkshandige DNA-turbine. g, Schematische weergave van een rechtshandige DNA-turbine met zijn lading. h, SNUPI-gesimuleerde structuur. i, Negatief gekleurde transmissie-elektronenmicrofoto van een typische rechtshandige DNA-turbine met de lading. (© DOI: 10.1038/s41565-023-01527-8)
Dietz is een wereldexpert op het gebied van DNA-origami. Zijn laboratorium manipuleerde DNA-moleculen om de turbine van de kleine motor te maken, die bestond uit 30 dubbelstrengige DNA-helices die in een as waren gebouwd en drie bladen met een lengte van ongeveer 72 basenparen. Deckers laboratoriumwerk toonde aan dat de turbine inderdaad kan draaien door een elektrisch veld aan te leggen. Het laboratorium van Aksimentiev voerde simulaties van de moleculaire dynamica van alle atomen uit op een systeem van vijf miljoen atomen om de fysieke verschijnselen van hoe de motor werkt te karakteriseren.
Het systeem was de kleinste representatie die betekenisvolle resultaten over het experiment kon opleveren; echter, "het was een van de grootste die ooit vanuit het DNA-origami-perspectief is gesimuleerd", zei Aksimentiev.
Van missie onmogelijk naar missie mogelijk
Het Texas Advanced Computing Center (TACC) heeft Aksimentiev een Leadership Resource Allocation toegekend ter ondersteuning van zijn onderzoek naar biologische systemen op mesoschaal op de door de National Science Foundation (NSF) gefinancierde Frontera, de beste academische supercomputer in de VS. "Frontera speelde een belangrijke rol bij dit DNA-nanoturbinewerk", zei Aksimentiev. “We verkregen simulatietrajecten op microseconden in twee tot drie weken in plaats van een jaar of langer te wachten op kleinere computersystemen. De grote simulaties werden op Frontera uitgevoerd met behulp van ongeveer een kwart van de machine – meer dan 2,000 knooppunten”, aldus Aksimentiev. “Het gaat echter niet alleen om de hardware, maar ook om de interactie met de TACC-medewerkers. Het is uiterst belangrijk om de middelen zo goed mogelijk te gebruiken zodra we de kans krijgen.” Aksimentiev ontving voor dit werk ook supercomputertoewijzingen van het door de NSF gefinancierde Advanced Cyberinfrastructure Coördinatie Ecosystem: Services & Support (ACCESS) on Expanse of the San Diego Supercomputer Center en Anvil of Purdue University. “We moesten wel 100 verschillende nanomotorsystemen simuleren. We moesten ze onder verschillende omstandigheden en op een snelle manier uitvoeren, wat de ACCESS-supercomputers perfect hielpen”, aldus Aksimentiev. “Hartelijk dank aan de NSF voor hun steun – zonder deze systemen zouden we niet de wetenschap kunnen doen die we doen.”
Simulatie van de moleculaire dynamica van alle atomen van een DNA-turbinerotatie. aModel met 4,322,088 atomen van een DNA-origami-turbine afgebeeld met behulp van een weergave van het moleculaire oppervlak (witte schacht, veelkleurige bladen), oplosmiddel weergegeven als een semi-transparant oppervlak, en ionen. b, Rotatie van de turbine aangedreven door een elektrisch veld. (© DOI: 10.1038/s41565-023-01527-8)
DNA als bouwsteen
Het succes met de werkende DNA-nanoturbine bouwt voort op een eerder onderzoek waarbij ook gebruik werd gemaakt van Frontera- en ACCESS-supercomputers. Uit het onderzoek bleek dat één enkele DNA-helix de kleinste elektromotor is die je kunt bouwen: hij kan tot een miljard omwentelingen per minuut draaien. DNA is volgens Aksimentiev naar voren gekomen als bouwmateriaal op nanoschaal. “De manier waarop DNA-basenparen een zeer krachtig programmeerhulpmiddel zijn. We kunnen geometrische, driedimensionale objecten uit DNA programmeren met behulp van de Cadnano-software, simpelweg door de reeks letters te programmeren die de sporten van de dubbele helix vormen”, legt hij uit. Een andere reden om DNA als bouwsteen te gebruiken is dat het een negatieve lading heeft, een essentieel kenmerk voor het maken van de elektromotor. “We wilden een van de meest spectaculaire biologische machines reproduceren: ATP-synthase, dat wordt aangedreven door een elektrisch veld. We hebben ervoor gekozen om onze motor met DNA te maken”, aldus Aksimentiev. "Dit nieuwe werk is de eerste motor op nanoschaal waarmee we de rotatiesnelheid en -richting kunnen regelen", voegde hij eraan toe. Dit wordt gedaan door het elektrische veld over het vaste-stof nanoporiënmembraan en de zoutconcentraties van de vloeistof rond de rotor aan te passen. “In de toekomst kunnen we misschien een molecuul synthetiseren met behulp van de nieuwe elektromotor op nanoschaal, of we kunnen het gebruiken als onderdeel van een grotere moleculaire fabriek, waar dingen worden verplaatst. Of we kunnen het ons voorstellen als een voertuig voor zachte voortstuwing, waarbij synthetische systemen de bloedbaan in kunnen gaan en moleculen of cellen één voor één kunnen onderzoeken”, aldus Aksimentiev. Als je denkt dat dit klinkt als iets uit een sciencefictionfilm uit de jaren zestig, dan heb je gelijk. In de film Fantastic Voyage wordt een team Amerikanen in een nucleaire onderzeeër gekrompen en in het lichaam van een wetenschapper geïnjecteerd om een bloedstolsel te repareren en moet snel werken voordat de miniaturisatie verdwijnt. Hoe vergezocht dit ook mag klinken, Aksimentiev zegt dat het concept en de elementen van de machines die we vandaag de dag ontwikkelen zoiets mogelijk zouden kunnen maken. "We konden dit bereiken dankzij supercomputers", zei Aksimentiev. “Supercomputers worden steeds onmisbaarder naarmate de complexiteit van de systemen die we bouwen toeneemt. Het zijn de computationele microscopen, die met ultieme resoluties de beweging van individuele atomen kunnen zien en hoe dat is gekoppeld aan een groter systeem.”- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64463.php
