Первый электрический наномотор из ДНК-материала

Исследовательская группа под руководством Технического университета Мюнхена (TUM) впервые создала молекулярный электрический мотор с помощью метода ДНК-оригами. Крошечная машина из генетического материала самоорганизуется и преобразует электрическую энергию в кинетическую. Новые наномоторы можно включать и выключать, а исследователи могут контролировать скорость и направление вращения.

Новый молекулярный мотор состоит из ДНК. Учёные собрали его из молекул ДНК методом ДНК-оригами, который был изобретён Полом Ротемундом в 2006 году и впоследствии усовершенствован командой TUM. Объекты самоорганизуются в растворе при наличии цепей ДНК с правильными последовательностями.

Конструкция мотора

Наномотор из ДНК-материала состоит из трёх компонентов:

• Основание высотой около 40 нм, которое химически закреплено на стеклянной пластине в растворе.
• Рычаг ротора длиной до 500 нм, установленный на основании и способный вращаться.
• Платформа, расположенная между основанием и рычагом ротора. Она содержит препятствия, влияющие на движение рычага. Чтобы преодолеть их и вращаться, рычаг должен немного изгибаться вверх, подобно храповому механизму.

Принцип работы

Без подачи энергии рычаги моторов движутся случайным образом в разных направлениях из-за столкновений с молекулами растворителя. Однако при подаче переменного напряжения через два электрода рычаги начинают целенаправленно и непрерывно вращаться в одном направлении.

Целенаправленное движение является результатом наложения флуктуирующих электрических сил с силами, действующими на рычаг из-за препятствий храпового механизма. Этот механизм реализует так называемый "мигающий броуновский храповик".

Характеристики и управление

• Мощность: Новый мотор демонстрирует беспрецедентные механические возможности. Он может создавать крутящий момент порядка 10 пиконьютон на нанометр и генерировать больше энергии в секунду, чем высвобождается при расщеплении двух молекул АТФ.
• Управление: Исследователи могут контролировать скорость и направление вращения с помощью направления электрического поля, а также частоты и амплитуды переменного напряжения.

Перспективы применения

В будущем усовершенствованный мотор может найти техническое применение. Например, поверхности можно было бы плотно покрыть такими моторами, добавлять исходные материалы, подавать небольшое переменное напряжение, и моторы производили бы нужное химическое соединение, подобно тому, как АТФ-синтаза производит АТФ, приводимая в движение вращением.

Исследование было опубликовано в журнале Nature. Работой руководили Хендрик Диц (профессор биомолекулярных нанотехнологий TUM), Фридрих Зиммель (профессор физики синтетических биологических систем TUM) и Рамин Голестанян (директор Института динамики и самоорганизации им. Макса Планка).