(Nanowerk Nyheter) Forskere har skapt verdens første fungerende elektromotor på nanoskala, ifølge forskning publisert i tidsskriftet Natur Nanoteknologi ("En DNA-turbin drevet av et transmembranpotensial over en nanopore"). Vitenskapsteamet designet en turbin konstruert av DNA som drives av hydrodynamisk strømning inne i en nanopore, et nanometer stort hull i en membran av solid-state silisiumnitrid. Den lille motoren kan bidra til å sette i gang forskning på fremtidige bruksområder som å bygge molekylære fabrikker for nyttige kjemikalier eller medisinske sonder av molekyler inne i blodet for å oppdage sykdommer som kreft. "Vanlige makroskopiske maskiner blir ineffektive på nanoskala," sa studiemedforfatter professor Aleksei Aksimentiev, professor i fysikk ved University of Illinois i Urbana-Champagne. "Vi må utvikle nye prinsipper og fysiske mekanismer for å realisere elektromotorer i veldig, veldig små skalaer." Det eksperimentelle arbeidet med den lille motoren ble utført av Cees Dekker fra Delft University of Technology og Hendrik Dietz fra Technical University of München.
Design av en nanoporedrevet DNA-origami-turbin. a, Skjematisk av en høyrehendt DNA-turbin forankret i en nanopore. b, To tverrsnitt av DNA-turbinen som fremhever den utformede vridningen. c, 3D elektrontetthetskart av den høyrehendte DNA-turbinen bestemt via enkeltpartikkel-kryo-EM. d, Veikryss. e,f, Det samme som c,d, men for den venstrehendte DNA-turbinen. g, Skjematisk av en høyrehendt DNA-turbin med sin last. h, SNUPI-simulert struktur. i, Negativt farget transmisjonselektronmikrografi av en typisk høyrehendt DNA-turbin med lasten. (© DOI: 10.1038/s41565-023-01527-8) Dietz er en verdensekspert på DNA-origami. Laboratoriet hans manipulerte DNA-molekyler for å lage den lille motorens turbin, som besto av 30 dobbelttrådet DNA-helikser konstruert til en aksel og tre blader med en lengde på omtrent 72 basepar. Deckers laboratoriearbeid viste at turbinen faktisk kan rotere ved å bruke et elektrisk felt. Aksimentievs laboratorium utførte all-atom molekylær dynamikksimuleringer på et system på fem millioner atomer for å karakterisere de fysiske fenomenene for hvordan motoren fungerer. Systemet var den minste representasjonen som kunne gi meningsfulle resultater om eksperimentet; Men "det var en av de største som noen gang er simulert fra DNA-origami-perspektivet," sa Aksimentiev.
Mission Impossible til Mission Possible
Texas Advanced Computing Center (TACC) tildelte Aksimentiev en Leadership Resource Allocation for å hjelpe hans studie av mesoskala biologiske systemer på National Science Foundation (NSF)-finansierte Frontera, den beste akademiske superdatamaskinen i USA "Frontera var medvirkende til dette DNA-nanoturbinarbeidet ", sa Aksimentiev. "Vi oppnådde mikrosekunders simuleringsbaner på to til tre uker i stedet for å vente i ett år eller mer på mindre datasystemer. De store simuleringene ble gjort på Frontera ved å bruke omtrent en fjerdedel av maskinen – over 2,000 noder,” sa Aksimentiev. "Men det er ikke bare maskinvaren, men også interaksjonen med TACC-ansatte. Det er ekstremt viktig å utnytte ressursene best når vi har muligheten.» Aksimentiev ble også tildelt superdatamaskintildelinger for dette arbeidet av det NSF-finansierte Advanced Cyberinfrastructure Coordination Ecosystem: Services & Support (ACCESS) på Expanse of San Diego Supercomputer Center og Anvil of Purdue University. "Vi hadde opptil 100 forskjellige nanomotoriske systemer å simulere. Vi måtte kjøre dem for forskjellige forhold og på en rask måte, noe ACCESS-superdatamaskinene hjalp perfekt med, sa Aksimentiev. "Tusen takk til NSF for deres støtte - vi ville ikke vært i stand til å gjøre vitenskapen vi gjør uten disse systemene."
All-atom molekylær dynamikksimulering av en DNA-turbinrotasjon. a, 4,322,088 XNUMX XNUMX-atommodell av en DNA-origami-turbin avbildet ved bruk av en molekylær overflaterepresentasjon (hvit skaft, flerfargede blader), løsningsmiddel vist som en semi-transparent overflate og ioner. b, Rotasjon av turbinen drevet av elektrisk felt. (© DOI: 10.1038/s41565-023-01527-8)
DNA som byggestein
Suksessen med den fungerende DNA-nanoturbinen bygger på en tidligere studie som også brukte Frontera og ACCESS superdatamaskiner. Studien viste at en enkelt DNA-helix er den minste elektromotoren man kan bygge – den kan rotere opptil en milliard omdreininger per minutt. DNA har dukket opp som et byggemateriale på nanoskala, ifølge Aksimentiev. "Måten DNA-basepar er et veldig kraftig programmeringsverktøy. Vi kan programmere geometriske, tredimensjonale objekter fra DNA ved å bruke Cadnano-programvaren bare ved å programmere sekvensen av bokstaver som utgjør trinnene til den doble helixen," forklarte han. En annen grunn til å bruke DNA som byggestein er at det har en negativ ladning, en viktig egenskap for å lage elektromotoren. "Vi ønsket å reprodusere en av de mest spektakulære biologiske maskinene - ATP-syntase, som drives av elektrisk felt. Vi valgte å gjøre motoren vår med DNA," sa Aksimentiev. "Dette nye verket er den første nanoskalamotoren der vi kan kontrollere rotasjonshastigheten og -retningen," la han til. Det gjøres ved å justere det elektriske feltet over faststoff-nanoporemembranen og saltkonsentrasjonene til væsken som omgir rotoren. "I fremtiden kan vi kanskje syntetisere et molekyl ved å bruke den nye elektromotoren på nanoskala, eller vi kan bruke den som et element i en større molekylær fabrikk, hvor ting flyttes rundt. Eller vi kan forestille oss det som et kjøretøy for myk fremdrift, der syntetiske systemer kan gå inn i en blodstrøm og undersøke molekyler eller celler en om gangen, sa Aksimentiev. Hvis du synes dette høres ut som noe fra en 1960-talls sci-fi-film, har du rett. I filmen Fantastic Voyage blir et team av amerikanere i en atomubåt krympet og injisert inn i en forskerkropp for å fikse en blodpropp og må jobbe raskt før miniatyriseringen avtar. Så langt dette kan høres ut, sier Aksimentiev at konseptet og elementene i maskinene vi utvikler i dag kan gjøre at noe slikt kan skje. "Vi var i stand til å oppnå dette på grunn av superdatamaskiner," sa Aksimentiev. "Superdatamaskiner blir mer og mer uunnværlige ettersom kompleksiteten til systemene vi bygger øker. De er beregningsmikroskopene, som ved ultimate oppløsninger kan se bevegelsen til individuelle atomer og hvordan det er koblet til et større system."- SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
- PlatoData.Network Vertical Generative Ai. Styrk deg selv. Tilgang her.
- PlatoAiStream. Web3 Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
- PlatoESG. Karbon, CleanTech, Energi, Miljø, Solenergi, Avfallshåndtering. Tilgang her.
- PlatoHelse. Bioteknologisk og klinisk etterretning. Tilgang her.
- kilde: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64463.php
